Utilizarea modulelor c.c./c.c. reductoare integrate pentru conversia eficientă a puterii și de înaltă densitate, cu interferențe EMI reduse

Odată cu creșterea nivelului de integrare și proliferare a dispozitivelor electronice, proiectanții sunt supuși unei presiuni constante pentru îmbunătățirea randamentului, cu reducerea, în același timp, a costurilor, a dimensiunilor și interferențelor electromagnetice (EMI). În timp ce sursele de alimentare au înregistrat îmbunătățiri din punct de vedere al densității și randamentului puterii, în prezent, proiectanții se confruntă cu provocarea dezvoltării soluțiilor de alimentare cu șine multiple pentru arhitecturi de procesare eterogene ce ar putea include o combinație dintre ASIC-uri, DSP-uri, FPGA-uri și microcontrolere.

Convertoarele c.c./c.c reductoare se utilizează în mod tradițional pentru alimentarea acestui tip de arhitecturi, dar cu un număr tot mai mare de șine de alimentare, utilizarea convertoarelor c.c./c.c reductoare discrete tradiționale cu un CI de control și MOSFET-uri de alimentare interne sau externe – plus condensatoare și inductoare externe – se poate dovedi complexă și consumatoare de timp. În schimb, proiectanții pot utiliza module convertoare c.c./c.c. reductoare autonome cu șine multiple și secvențializare programabilă care controlează mai bine interferențele EMI, generează mai puțină căldură și au amprente mai mici.

Acest articol analizează nevoile sistemului de alimentare pentru proiectele încorporate și va discuta diversele abordări și lucrurile de care trebuie să țină cont proiectanții, înainte de a introduce conceptul de module c.c./c.c. reductoare autonome. Apoi, va utiliza un dispozitiv eșantion de la Monolithic Power Systems pentru a analiza pe scurt considerentele privind designul și configurația pe care trebuie să le aibă în vedere proiectanții pentru a maximiza beneficiile de performanță ale acestor module.

De ce sistemele încorporate au nevoie de multe șine de alimentare

Proiectele încorporate, cum ar fi stațiile de bază 5G, sunt concepute pentru a susține cerințele din ce în ce mai mari legate de volumul de date, solicitate de smartphone-uri și dispozitivele inteligente conectate în aplicații precum automatizarea casnică și industrială, vehiculele autonome, asistența medicală și dispozitivele purtabile inteligente. Astfel de stații de bază utilizează, de obicei, o sursă de intrare de 48 de volți care este redusă de convertoarele c.c./c.c. la 24 de volți sau 12 volți, apoi redusă suplimentar în numeroasele sub-șine variind de la 3,3 volți la mai puțin de 1 volt pentru alimentarea ASIC-urilor, FPGA-urilor, DSP-urilor și a altor dispozitive în etapele de procesare a benzii de bază. Adesea, șinele de alimentare au nevoie de secvențiere pentru pornire și oprire, adăugând și mai multă complexitate sistemului de alimentare pentru designeri.

În exemplul stațiilor de bază 5G, CPU-ul tradițional nu mai poate satisface singur cerințele de procesare. Cu toate acestea, există avantaje în utilizarea unei plăci accelerator cu un FPGA în ceea ce privește capacitatea de reconfigurare a sistemului, flexibilitatea, ciclul scurt de dezvoltare, calculul înalt paralelizat și latența scăzută. Dar spațiul disponibil pentru sursa de alimentare FPGA se micșorează, iar cerințele de performanță ale șinei de alimentare sunt complicate (Figura 1):

• Decalaj de tensiune la ieșire: deviația de tensiune la ieșire a șinei de tensiune trebuie să fie mai mică de ±3%, iar în design trebuie să fie lăsată o marjă suficientă pentru aceasta. Optimizând bucla de control pentru a crește lățimea de bandă și a asigura stabilitatea acesteia, condensatorul de decuplare trebuie aplicat și proiectat cu atenție.
• Pornire monotonă: pornirea tuturor șinelor de tensiune trebuie să crească monoton, iar proiectarea trebuie să împiedice revenirea tensiunii de ieșire la valoarea sa inițială.
• Variația tensiunii de ieșire: în funcționarea în regim stabil, variația tensiunii de ieșire în toate șinele de tensiune (cu excepția șinei de tensiune analogică) trebuie să fie de cel mult 10 milivolți (mV).
• Sincronizare: FPGA-urile trebuie să satisfacă cerințele specifice de sincronizare în timpul pornirii și opririi.

Figura 1: Datorită cerințelor de calcul în creștere, dimensiunea procesorului de pe plăcile accelerator a crescut, lăsând un spațiu mic pentru sursa de alimentare. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Procesoarele necesită mai mult curent și putere, pe măsură ce cerințele privind lățimea de bandă de procesare a datelor devin mai solicitante. Cerințele privind densitatea de calcul și viteza în unitățile cu punct flotant pentru plăcile accelerator devin, de asemenea, din ce în ce mai greu de satisfăcut în industrie. De obicei, slotul pentru placa accelerator este standardizat PCIe, astfel încât dimensiunea plăcii este fixă. Datorită cerințelor de calcul în creștere, dimensiunea procesorului a crescut, lăsând un spațiu mic pentru sursa de alimentare.

Alternative de proiectare a sistemelor de alimentare

Utilizarea convertoarelor c.c./c.c. reductoare discrete tradiționale cu un CI de control și MOSFET-uri de alimentare interne sau externe, plus condensatoare și inductoare externe, este o abordare a alimentării sistemului încorporat. După cum s-a discutat mai sus, acesta este un proces complex, pentru care proiectanții trebuie să își aloce mult timp atunci când sunt necesare soluțiile de alimentare cu șine multiple. Pe lângă considerentele privind maximizarea randamentului și minimizarea dimensiunii soluției, proiectanții trebuie să fie atenți la aspectul și amplasarea componentelor filtrului pentru a minimiza interferențele EMI conduse și radiate cauzate de comutarea curenților în circuitele convertorului și inductorului (Figura 2).

Figura 2: Convertoarele c.c./c.c. reductoare discrete au mai multe surse de interferențe EMI pe care proiectanții trebuie să le gestioneze. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Convertoarele c.c./c.c. generează, de obicei, interferențele EMI conduse prin câmpuri magnetice de la calea buclei de curent formate între nodul de comutare MOSFET de alimentare de ieșire la împământare și condensatorul de intrare la împământare. De asemenea, generează interferențe EMI de câmp electric radiat de la nodul de comutare MOSFET la conexiunea inductorului, care are un dV/dt ridicat, deoarece trece de la nivelul înalt de tensiune de intrare la împământare în mod continuu și de la câmpurile electromagnetice generate în cadrul inductorului. Adesea, nerespectarea parametrilor proiectului are ca rezultat efectuarea testelor de laborator pentru interferențele EMI și a iterațiilor multiple de proiectare, care consumă mult timp.

O soluție cu patru șine pentru alimentarea unui ASIC sau FPGA utilizând convertoare c.c./c.c. reductoare discrete poate ocupa un spațiu de 1220 milimetri pătrați (mm² (Figura 3). Acest spațiu poate fi redus la aproximativ 350 mm², prin intermediul unei soluții bazate pe CI pentru managementul consumului de energie (PMIC). Ca alternativă, proiectanții pot utiliza un modul convertor c.c./c.c. autonom cu patru ieșiri pentru a reduce dimensiunea soluției la doar 121 mm², simplificând, în același timp, procesul de proiectare și accelerând timpul de lansare a produsului pe piață. Progresele înregistrate în domeniul tehnologiei proceselor cu semiconductori și al construcției pachetelor înseamnă că cele mai recente generații de module c.c./c.c. obțin o densitate de putere foarte mare, dau un randament ridicat și oferă o performanță EMI bună într-un factor de formă mic.

Figura 3: Utilizarea unei soluții de modul c.c./c.c. Integrat poate economisi până la 90% din spațiul plăcii, în comparație cu o soluție discretă. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Noile tehnici de construcție, cum ar fi flip-chip-ul în pachet și tehnologia grilei de conexiuni de tipul „mesh-connect” înseamnă că atât CI-ul, cât și inductorul și componentele pasive pot fi montate direct pe grila de conexiuni fără lipirea firelor sau fără o placă PC internă suplimentară (Figura 4). Comparativ cu stilurile de construcție mai vechi care utilizează un substrat intern de placă PC sau lipirea firelor, lungimile traseelor de conexiune pot fi reduse la minimum, iar conexiunea directă cu componentele pasive menține inductanța la un nivel scăzut pentru a minimiza interferențele EMI.

Figura 4: O nouă formă de construcție care utilizează grila de conexiuni pentru interconexiuni are o serie de avantaje: interferențele EMI sunt mai bine controlate, disiparea căldurii este îmbunătățită și dimensiunea amprentei este redusă. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Utilizarea unui format de pachet Land Grid Array (LGA) care se montează la suprafață direct pe placa PC țintă oferă un profil de interferențe EMI mai reduse decât convertoarele alternative în stilul tablourilor unice de circuite de calculator asamblate logic (SIL) sau pachetelor SIL (SIP) cu cabluri ce pot radia interferențe EMI.

Module c.c./c.c. integrate programabile cu patru ieșiri

Pentru a satisface nevoile de alimentare cu șine multiple, cu densitate ridicată a puterii sistemelor încorporate, proiectanții pot apela la MPM54304 de la Monolithic Power Systems (Figura 5). MPM54304 este un modul complet de management al consumului de energie, care integrează patru convertoare c.c./c.c. reductoare, inductoare și o interfață logică flexibilă. Funcționând într-un interval de tensiune de intrare de la 4 volți la 16 volți, MPM54304 poate suporta un interval de tensiune de ieșire cuprins între 0,55 volți și 7 volți. Cele patru șine de ieșire pot suporta curenți de până la 3 amperi (A), 3 A, 2 A și 2 A. Cele două șine de 3 A și cele două șine de 2 A pot fi utilizate în paralel pentru a furniza 6 A și, respectiv, 4 A. Proiectanții trebuie să rețină că, în modul de utilizare în paralel, curentul maxim de ieșire este, de asemenea, limitat de disiparea totală a puterii. Aceasta oferă flexibilitate pentru generarea mai multor configurații de ieșire (sub rezerva limitărilor totale de disipare a puterii):

• 3 A, 3 A, 2 A, 2 A
• 3 A, 3 A, 4 A
• 6 A, 2 A, 2 A
• 6 A, 4 A

Figura 5: MPM54304 este un modul de management al consumului de energie reductor complet, cu patru ieșiri și intrare de la 4 volți la 16 volți. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

De asemenea, MPM54304 oferă secvențierea internă pentru pornire și oprire. Configurațiile șinelor și secvențierea pot fi pre-programate prin siguranța electronică cu programare multiplă (MTP) sau prin magistrala I²C.

Acest convertor c.c./c.c. de control constant la timp (COT) cu frecvență fixă​oferă un răspuns tranzitoriu rapid. Frecvența sa de comutare implicită de 1,5 megahertzi (MHz) reduce considerabil dimensiunea condensatorului extern. Ceasul de comutare este blocat și decalat de fază de la coborârea 1 la coborârea 4 în timpul funcționării în modul cu curent continuu (CCM). Tensiunea de ieșire este reglabilă prin magistrala I²C sau presetată de siguranța electronică MTP.

Funcțiile de protecție completă includ blocarea la subtensiune (UVLO), protecția la supracurent (OCP) și oprirea termică. MPM54304 necesită un număr minim de componente externe și este disponibil într-un pachet LGA (7 mm x 7 mm x 2 mm) compact (Figura 6). Profilul redus al LGA îl face adecvat pentru amplasarea pe spatele plăcii sau sub radiator.

Figura 6: Pachetul LGA al MPM54304 oferă o soluție compactă și cu profil redus, cu interferențe EMI reduse (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Considerente privind designul și configurația

MPM54304 are o schemă simplă a pinilor de-a lungul marginii, simplificând configurarea și designul plăcii PC. Având nevoie de doar cinci componente externe, soluția totală este mică și compactă. Pachetul LGA permite un plan de masă solid, care acoperă cea mai mare parte a zonei de sub modul, ceea ce ajută la închiderea buclelor de curenți Foucault și la reducerea suplimentară a interferențelor EMI.

Acest convertor reductor are un curent de intrare discontinuu și necesită un condensator pentru furnizarea de c.a. către convertor, menținând, în același, timp tensiunea de intrare c.c. Pentru a obține cea mai bună performanță, proiectanții trebuie să utilizeze condensatoare cu rezistență de serie echivalentă redusă (ESR). Condensatoarele ceramice cu componente dielectrice X5R sau X7R sunt recomandate datorită ESR scăzute și a coeficienților de temperatură mici. Pentru majoritatea aplicațiilor, sunt suficiente condensatoarele de 22 de microfarazi (µF).

Configurația eficientă a plăcilor PC este esențială pentru o funcționarea stabilă a MPM54304. Pentru a obține performanțe termice mai bune (Figura 7), se recomandă o placă de computer cu patru straturi. Pentru cele mai bune rezultate, proiectanții trebuie să respecte aceste orientări generale:

• Păstrați bucla de alimentare la un nivel cât mai mic posibil
• Utilizați un plan de masă mare pentru a vă conecta direct la PGND. Dacă stratul inferior este un plan de masă, adăugați treceri lângă PGND.
• Asigurați-vă că traseele de curenți înalți de la GND și VIN au trasee scurte, directe și largi
• Așezați condensatorul de intrare ceramic cât mai aproape de dispozitiv
• Păstrați condensatorul de intrare și IN cât mai scurte și late posibil
• Amplasați condensatorul VCC cât mai aproape de pinii VCC și GND
• Conectați VIN, VOUT și GND la o zonă mare de cupru pentru a îmbunătăți performanța termică și fiabilitatea pe termen lung
• Separați zona GND de intrare de alte zone GND de pe stratul superior și conectați-le împreună pe straturile interne și stratul inferior prin mai multe treceri
• Asigurați-vă că există o zonă GND integrată pe stratul intern sau stratul inferior
• Utilizați mai multe treceri pentru a conecta planurile de alimentare la straturile interne

Figura 7: Se recomandă o configurație a plăcii PC în patru straturi atunci când se utilizează modulul de alimentare cu patru ieșiri MPM54304. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Concluzie

Pe măsură ce arhitecturile de procesare evoluează pentru a aborda aplicații de date extrem de solicitante, proiectanții se confruntă cu provocarea de a dezvolta soluții de alimentare cu șine multiple, care să poată sprijini puterea de procesare și componentele electronice din ce în ce mai mari în factori de formă fie statici, fie micșorați. Convertoarele c.c./c.c. reductoare sunt componente esențiale în proiectarea soluțiilor de alimentare pentru aceste sisteme, dar implementarea acestora se poate dovedi complexă.

Așa cum s-a arătat, proiectanții se pot orienta către module convertoare c.c./c.c. reductoare autonome, cu șine de alimentare multiple și secvențializare programabilă, simplificând procesul de proiectare și accelerând timpul de lansare a produsului pe piață. De asemenea, noile tehnici de construcție care permit aceste module autonome prezintă o serie de avantaje din punct de vedere al performanței: interferențele EMI sunt mai bine controlate, disiparea căldurii este îmbunătățită și dimensiunea amprentei este redusă.

Lectură recomandată

1. Utilizarea modulelor de alimentare programabile pentru accelerarea proiectelor de regulatoare c.c./c.c.