Furnizarea eficientă a puterii de înaltă integritate pentru sarcini critice cu un impact minim asupra spațiului ocupat pe placă

7 FEBRUARIE 2022

Serverele de date mari, precum și aplicațiile din domeniul învățării automate, inteligenței artificiale (AI), celulelor 5G, IoT și sistemelor computerizate pentru întreprinderi, necesită adesea ASIC-uri, FPGA-uri, GPU-uri și unități centrale de procesare puternice, care solicită curenți mari la tensiuni joase și o densitate mare de putere în amprente compacte. Pentru a asigura integritatea energetică globală a sistemului, se utilizează sisteme distribuite de management a puterii care aduc sursele de alimentare DC/DC direct la punctul de încărcare (POL – point-of-load), adică la procesoarele de înaltă performanță. Pot exista multe astfel de convertoare de putere DC/DC pe o singură placă, astfel încât problema cu care se confruntă proiectanții este de a face aceste dispozitive cât mai mici posibil pentru a economisi spațiu pe placă. În același timp, ei trebuie să îndeplinească cerințele de performanță, latență, termice, eficiență și fiabilitate, simplificând totodată procesul de proiectare și menținând costurile la un nivel scăzut.

Soluția la această serie de probleme combină semiconductori și componente pasive de înaltă performanță, utilizând tehnologii avansate de asamblare pentru a asigura un nivel mai ridicat de integrare a sistemului. S-a demonstrat că acest lucru permite obținerea unor dimensiuni mai mici la un profil mai redus în comparație cu alte tehnologii disponibile în prezent, îmbunătățind în același timp managementul termic. Totodată, abordarea integrată ține în frâu costurile de proiectare, inclusiv managementul stocurilor și timpul de dezvoltare.

Acest articol analizează necesitatea rețelelor de alimentare distribuite și rolul dispozitivelor de alimentare POL. Apoi prezintă o clasă de convertoare POL DC/DC de la TDK Corporation care utilizează tehnici avansate de încapsulare pentru a obține caracteristicile de performanță necesare. Articolul abordează, de asemenea, caracteristicile lor principale și arată cum pot fi implementate de proiectanți pentru a îndeplini cu succes cerințele de furnizare a puterii POL.

De ce surse de alimentare cu convertoare POL DC/DC?

Computerele, serverele și alte echipamente digitale utilizează din ce în ce mai mult FPGA-uri, ASIC-uri și alte dispozitive avansate de circuite integrate care necesită tensiuni de alimentare multiple, care nu sunt disponibile de la sursa de alimentare a sistemului. În plus, ele necesită aceste tensiuni în ordinea corectă, cu o latență minimă. Sursele de alimentare ale sistemului furnizează în general un număr de tensiuni fixe, cum ar fi 1, 3,3 și 5 volți. Un FPGA tipic necesită tensiuni cuprinse între 1,2 și 2,5 volți (figura 1).

Figura 1: O structură tipică FPGA necesită tensiuni multiple dedicate unor funcții specifice la nivelul procesorului. Modelul prezentat utilizează opt intrări de alimentare dedicate care necesită trei tensiuni diferite. (© Art Pini) 

La nivel minim, un FPGA necesită surse de alimentare separate pentru secțiunile sale de bază și de I/O. FPGA-ul din exemplu funcționează cu nucleul la 1,2 volți, iar funcțiile I/O la 2,5 volți. În plus, are nevoie de alte șase niveluri de alimentare pentru circuitele sale auxiliare. Este evident că având șapte surse de alimentare plasate în imediata apropiere a FPGA, proiectarea plăcii de circuit imprimat devine o povară. De asemenea, trebuie să se ia în considerare și problema disipării căldurii, ceea ce face necesar ca sursele de alimentare să fie mici și eficiente.

Figura 2: Tehnologia brevetată SESUB integrează un controler de putere avansat și MOSFET-uri într-un substrat de 250 mm, plus condensatoarele și inductorul de ieșire al circuitului, pentru a forma un modul convertor DC/DC înalt integrat. (© TDK Corporation)

Tehnologia brevetată asigură o integrare unică a sistemului

Pentru a îndeplini cerința de dimensiune, TDK a dezvoltat un proiect propriu pentru convertoarele POL DC/DC, care renunță la dispunerea componentelor discrete una lângă alta. În schimb, acesta utilizează integrarea 3D bazată pe tehnologia sa de sistem în pachet (SiP – system-in-package) Semiconductor Embedded in SUBstrate (SESUB). Semiconductorii de înaltă performanță care integrează un controler de modulare a lățimii pulsului (PWM) și MOSFET-uri sunt încorporați în substratul de 250 micrometri (µm) al plăcii de circuit imprimat, formând un convertor coborâtor (buck). Inductorul de ieșire al circuitului și condensatoarele sunt, de asemenea, integrate în configurația 3D, creând un pachet ultra-compact, îmbunătățit din punct de vedere termic (figura 2).

Figura 3: Convertorul DC/DC μPOL are doar 3,3 × 3,3 × 1,5 mm, dar poate suporta până la 15 wați. (© TDK Corporation)

O soluție unică de alimentare POL

TDK folosește SESUB ca fundație a liniei sale μPOL (pronunțat „micro-POL”) de module de alimentare DC/DC miniaturale. Denumită FS140x-xxxx-xx, familia de produse este disponibilă în 19 variante cu niveluri de tensiune de ieșire de 5, 3,3, 2,5, 1,8, 1,5, 1,2, 1,1, 1,05, 1, 0,9, 0,8, 0,75, 0,7 și 0,6 volți. Acestea suportă curenți de sarcină continuă de la 3 la 6 amperi (A), în funcție de model, și sunt prezentate într-o capsulă care măsoară 3,3 × 3,3 × 1,5 milimetri (mm) (figura 3).

Datorită designului lor unic, această familie de convertoare DC/DC poate oferi o densitate de putere de până la 1 watt per mm3, permițând acestei capsule mici să gestioneze până la 15 wați.

Tensiunile nominale de ieșire sunt setate din fabrică cu o precizie de ±0,5%. Este inclusă o interfață I²C care permite controlul local al convertorului. Tensiunile de ieșire pot fi ajustate în pași de ±5 milivolți (mV) în jurul tensiunii nominale prestabilite.

O privire în interiorul unui convertor FS1406 μPOL

Schema bloc funcțională a convertorului FS1406-1800-AL de 1,8 volți DC/DC arată că, în ciuda dimensiunilor sale reduse, dispozitivul este dotat cu o mulțime de funcții sofisticate ale circuitului (figura 4).

FS1406-1800-AL are o ieșire nominală de 1,8 volți și o capabilitate de sarcină continuă de 6 A. Tensiunea de ieșire este programabilă I²C între 0,6 și 2,5 volți. Necesită o tensiune de intrare de 4,5 până la 16 volți și are o temperatură de operare specificată între -40°C și +125°C.

Figura 4: Schema bloc funcțională a convertorului DC/DC FS1406-1800-AL care arată nivelul de complexitate al circuitului, inclusiv PWM-ul intern, portul I²C, logica de control și MOSFET-urile de ieșire. (© TDK Corporation)

Inima acestui convertor DC/DC este modulatorul PWM brevetat, menit să ofere un răspuns rapid și tranzitoriu. Modulatorul PWM operează la o frecvență de comutație proporțională cu tensiunea de ieșire a convertorului. Acesta include compensare internă a stabilității, care se potrivește la o varietate de tipuri de condensatoare de ieșire fără a fi nevoie de rețele de compensare externe, ceea ce îl face „plug-and-play”. Ieșirea PWM a modulatorului comandă circuitul de poartă al dispozitivelor de putere MOSFET. Inductorul de filtrare de la ieșire, după cum s-a menționat, este și el inclus în capsulă, minimizând și mai mult componentele externe.

Rețineți că FS1406 include un regulator de tensiune LDO (low dropout) care funcționează la aproximativ 5,2 volți pentru a alimenta circuitele interne și dispozitivele MOSFET.

De asemenea, proiectanții ar trebui să ia notă de funcțiile de protecție integrate, care includ protecție soft-start, o linie de stare „Power Good”, protecție la supratensiune, pornire pre-polarizată, shut-down termic cu auto-recuperare și protecție la supracurent compensată termic în modul hiccup. (Modul Hiccup deconectează sursa de alimentare pentru o perioadă de timp fixă dacă este detectat un eveniment de supracurent și repetă secvența până când defecțiunea este eliminată.)

Figura 5: Într-o aplicație tipică, familia de convertoare DC/DC FS1406 μPOL necesită adăugarea condensatoarelor de intrare și de ieșire. (© TDK Corporation)

Interfața I²C este utilizată pentru a seta tensiunea de ieșire. Aceasta permite, de asemenea, configurarea parametrilor de optimizare a sistemului, inclusiv a celor pentru funcțiile de pornire și de protecție.

Aplicație tipică

Familia FS1406 este complet integrată și este reglată din fabrică la tensiunea țintă specificată, eliminând necesitatea unui divizor de tensiune. Proiectul necesită totuși adăugarea unui condensator pe ieșire pentru a asigura un riplu acceptabil și regularizarea sarcinii. De asemenea, este nevoie și la intrare de un condensator pentru a gestiona cerințele privind curentul de intrare. Adăugarea în circuit a componentelor minime necesare este prezentată în figura 5.

Condensatoarele de intrare și de ieșire trebuie să aibă o rezistență serie echivalentă scăzută. Sunt recomandate condensatoarele ceramice multistrat. Fișa tehnică a FS1406 oferă îndrumări detaliate cu privire la calcularea valorilor capacităților de intrare și de ieșire.

Plăcile de evaluare îi ajută pe proiectanți să se familiarizeze cu tehnologia

Placa de evaluare pentru versiunea de 1,8 volți a convertorului μPOL este EV1406-1800A, aceasta oferind un proiect pentru un convertor DC/DC cu o ieșire de 1,8 volți și o sursă de intrare de 12 volți. Placa furnizează un curent de ieșire între 0 și 6 A și măsoară 63 × 84 × 1,5 mm (figura 6).

Figura 6: Placa de evaluare EV1406-1800A măsoară 63 x 84 x 1,5 mm; convertorul DC/DC μPOL este marcat cu galben, pentru a vă oferi o perspectivă asupra dimensiunilor sale reduse. (© TDK Corporation)

Dimensiunile și capabilitățile de putere ale dispozitivului µPOL permit ca mai multe dintre aceste dispozitive să fie introduse cu ușurință în cadrul unui FPGA sau ASIC. Placa de evaluare, pe lângă faptul că oferă un exemplu de proiectare, dispune de zone deschise pentru prototipare pentru ca utilizatorul să efectueze experimente cu valorile capacităților de intrare și de ieșire. De asemenea, placa are un conector pentru selectarea fie a sursei de polarizare internă a FS1406-1800, fie a unei surse de tensiune externe. Un alt conector oferă acces ușor la interfața I²C.

Programare cu I²C Dongle

Ca ajutor suplimentar la proiectare, TDK oferă placa de programare I²C TDK-MICRO-POL-DONGLE care este utilizată pentru a varia tensiunea de ieșire în pași de ±5 mV. Aceasta permite, de asemenea, programarea parametrilor de protecție a sistemului. Dongle-ul funcționează cu un software gratuit de interfață grafică (GUI) oferit de TDK, ceea ce simplifică reglarea convertorului.

Concluzie

Pentru proiectanții care au nevoie de alimentare POL fiabilă, de înaltă integritate, cu un impact minim asupra spațiului de pe placă, linia TDK mPOL de 19 convertoare DC/DC oferă o soluție potrivită pentru o mare varietate de aplicații. Familia suportă 14 niveluri de tensiune de ieșire comune, fiecare dintre acestea fiind reglabil în pași de ±5 mV cu ajutorul unui port I²C. Construcția unică și brevetată a µPOL, bazată pe SESUB, asigură o densitate de putere ridicată cu componente de suport minime.


Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații

Rolf Horn, face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie, precum și la scrierea și corectarea articolelor și postărilor de pe platformele TechForum și  https://maker.io ale firmei Digi-Key pentru cititorii din Germania. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria. Și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de Arhitect pentru Soluții de Sistem pentru a-și împărtăși expertiza și cunoștințele în calitate de consilier de încredere.

Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile (cu rulota familiei VW-California) și motociclismul (pe un BMW GS din 1988).

Digi-Key Electronics   |    https://www.digikey.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre