Skuteczne dostarczanie zasilania o wysokiej integralności do krytycznych odbiorników przy zachowaniu minimalnego wpływu na przestrzeń na płytce

Serwery i zastosowania big data, takie jak uczenie maszynowe, sztuczna inteligencja (AI), komórki 5G, Internet rzeczy (IoT) i korporacyjne procesy obliczeniowe często wymagają wydajnych specjalizowanych układów scalonych (ASIC), bezpośrednio programowalnych macierzy bramek (FPGA), kart graficznych i procesorów, które potrzebują dużych natężeń prądu przy niskich napięciach oraz dużej gęstości mocy w kompaktowych obudowach. Aby zapewnić integralność zasilania całego systemu, stosuje się rozproszone systemy zarządzania energią, które doprowadzają źródła zasilania prądu stałego bezpośrednio do punktu obciążenia (POL), tj. do wysokowydajnych procesorów. Takich przetwornic prądu stałego może być wiele na jednej płytce, więc problemem, przed którym stają projektanci, jest zapewnienie jak najmniejszych rozmiarów tych urządzeń, aby zaoszczędzić miejsce na płytce. Jednocześnie muszą one spełniać wymagania dotyczące parametrów działania, latencji, temperatur, sprawności i niezawodności, upraszczając jednocześnie proces projektowania i utrzymując koszty na niskim poziomie.

Rozwiązaniem tych problemów jest połączenie wysokowydajnych półprzewodników i elementów pasywnych z wykorzystaniem zaawansowanych technologii obudów w celu osiągnięcia wyższego poziomu integracji systemu. Wykazano, że w porównaniu z innymi dostępnymi obecnie technologiami pozwala to na osiągnięcie mniejszych rozmiarów przy niższym profilu i jednoczesnej poprawie odprowadzania ciepła. Jednocześnie zintegrowane podejście pozwala ograniczyć koszty projektowania, w tym zarządzania zapasami, a także czasu opracowywania.

W artykule omówiono potrzebę tworzenia rozproszonych sieci zasilających oraz rolę urządzeń zasilających POL. Następnie przedstawiono klasę przetwornic prądu stałego w punkcie obciążenia (POL) firmy TDK Corporation, w których zastosowano zaawansowaną technologię obudowy w celu osiągnięcia wymaganej charakterystyki pracy. W artykule omówiono również ich istotne cechy i pokazano, jak projektanci mogą je zastosować, aby z powodzeniem spełnić wymagania dotyczące dostarczania mocy w punkcie obciążenia (POL).

Dlaczego jako źródła zasilania wykorzystywać przetwornice prądu stałego w punkcie obciążenia (POL)

Komputery, serwery i inne urządzenia cyfrowe w coraz większym stopniu wykorzystują bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA), specjalizowane układy scalone (ASIC) i inne zaawansowane układy scalone, które wymagają wielu napięć zasilania, które nie są dostępne z zasilania systemowego. Dodatkowo wymagają one podania tych napięć w odpowiedniej, uporządkowanej kolejności z minimalną latencją. Zasilacze systemowe generalnie zapewniają kilka stałych napięć, takich jak 1, 3,3 i 5V. Typowa bezpośrednio programowalna macierz bramek (FPGA) wymaga napięć w zakresie od 1,2 do 2,5V (ilustracja 1).

Ilustracja 1: typowa bezpośrednio programowalna macierz bramek (FPGA) wymaga różnych napięć dla konkretnych funkcji w procesorze. Przedstawiony procesor używa ośmiu dedykowanych wejść zasilających wykorzystujących trzy różne napięcia. (Źródło ilustracji: Art Pini)

Bezpośrednio programowalna macierz bramek (FPGA) wymaga co najmniej oddzielnego zasilania dla sekcji rdzenia i sekcji wejścia-wyjścia. Bezpośrednio programowalna macierz bramek (FPGA) posiada sekcję rdzenia zasilaną napięciem 1,2V oraz sekcję wejścia-wyjścia napięciem 2,5V. Ponadto wymaga ona sześciu innych poziomów zasilania dla obwodów pomocniczych. Jest oczywiste, że posiadanie siedmiu źródeł zasilania w bliskiej odległości od macierzy bramek stanowi obciążenie dla projektu płytki drukowanej. Należy również wziąć pod uwagę kwestię odprowadzania ciepła, co sprawia, że źródła zasilania muszą być małe i wydajne.

Opatentowana technologia zapewnia wyjątkową integrację systemu

Aby sprostać wymaganiom dotyczącym rozmiarów, firma TDK opracowała własny projekt przetwornic prądu stałego w punkcie obciążenia (POL), w którym zrezygnowano z rozmieszczenia elementów dyskretnych obok siebie. Zamiast tego wykorzystano integrację 3D opartą na technologii układów SIP (system-in-package) z półprzewodnikami wbudowanymi w podłoże (SESUB). Wysokoparametrowe półprzewodniki zawierające kontroler modulacji szerokości impulsu (PWM) i tranzystory MOSFET są osadzone w podłożu płytki drukowanej o grubości 250µm, tworząc przetwornicę obniżającą. Kondensatory i cewka indukcyjna obwodu wyjściowego są również zintegrowane w układzie 3D, tworząc ultrakompaktową, termicznie ulepszoną obudowę (ilustracja 2).

Ilustracja 2: opatentowana technologia półprzewodników wbudowanych w podłoże (SESUB) integruje zaawansowany układ scalony kontrolera mocy i tranzystory MOSFET na podłożu o grubości 250mm, wraz z kondensatorami i cewką indukcyjną obwodu wyjściowego, tworząc wysoce zintegrowany moduł przetwornicy prądu stałego. (Źródło ilustracji: TDK Corporation)

Unikalne rozwiązanie zasilania w punkcie obciążenia (POL)

Firma TDK wykorzystuje technologię półprzewodników wbudowanych w podłoże (SESUB) jako podstawę swojej grupy miniaturowych modułów zasilania prądu stałego μPOL. Grupa produktów oznaczona jako modele Fs140x-xxxx-xx występuje w 19 wersjach o poziomach napięcia wyjściowego 5, 3,3, 2,5, 1,8, 1,5, 1,2, 1,1, 1,05, 1, 0,9, 0,8, 0,75, 0,7 oraz 0,6V. Obsługują one ciągłe prądy obciążeniowe od 3 do 6A w zależności od modelu i mają obudowę o wymiarach 3,3 x 3,3 x 1,5mm (ilustracja 3).

Ilustracja 3: przetwornica prądu stałego μPOL mierzy zaledwie 3,3 x 3,3 x 1,5mm, a mimo to obsługuje moc nawet 15W. (Źródło ilustracji: TDK Corporation)

Dzięki unikalnej konstrukcji fizycznej omawiana grupa przetwornic prądu stałego może dostarczyć mocy o gęstości na poziomie do 1W/mm³, pozwalając na obsługę w tej małej obudowie mocy nawet 15W.

Nominalne napięcia wyjściowe są ustawione fabrycznie z dokładnością do ±0,5%. Interfejs I²C pozwala na lokalne sterowanie przetwornicą. Napięcia wyjściowe można stroić z krokiem co ±5mV od ustawionego napięcia nominalnego.

Spojrzenie do wnętrza przetwornicy FS1406 μPOL

Schemat blokowo-funkcjonalny przetwornicy prądu stałego FS1406-1800-AL 1,8V pokazuje, że pomimo niewielkich rozmiarów, urządzenie jest naszpikowane wieloma zaawansowanymi funkcjami (ilustracja 4).

Ilustracja 4: schemat blokowo-funkcjonalny przetwornicy prądu stałego FS1406-1800-AL ukazujący skalę zaawansowania układu, w tym wbudowaną funkcję modulacji szerokości impulsu (PWM), port I²C, logikę sterowania i wyjściowe tranzystory MOSFET. (Źródło ilustracji: TDK Corporation)

Przetwornica FS1406-1800-AL ma znamionowe napięcie wyjściowe 1,8V i obciążalność ciągłą 6A. Jej napięcie wyjściowe jest programowalne przez interfejs I²C w zakresie od 0,6 do 2,5V. Wymaga napięcia wejściowego od 4,5 do 16V, a jej zakres temperatur roboczych wynosi od -40°C do +125°C.

Sercem omawianej przetwornicy prądu stałego jest opatentowany modulator szerokości impulsu (PWM) zaprojektowany tak, aby zapewnić szybką, odpowiedź impulsową. Modulator szerokości impulsu (PWM) pracuje z częstotliwością przełączania proporcjonalną do napięcia wyjściowego przetwornicy. Zawiera on wewnętrzną funkcję kompensacji stabilności, która dopasowuje go do różnych typów kondensatorów wyjściowych bez potrzeby stosowania zewnętrznych sieci kompensacyjnych, co czyni go urządzeniem typu plug-and-play. Wyjście modulacji szerokości impulsu (PWM) modulatora steruje obwodem bramek tranzystorów mocy MOSFET. Jak wcześniej wspomniano, obudowa zawiera cewkę indukcyjną filtra wyjściowego, co dodatkowo minimalizuje ilość elementów zewnętrznych.

Należy pamiętać, że przetwornica FS1406 zawiera wbudowany regulator napięcia o niskim spadku (LDO), który pracuje przy napięciu około 5,2V, zasilając wewnętrzne obwody i tranzystory MOSFET.

Projektanci powinni również zwrócić uwagę na wbudowane funkcje ochronne, np. zabezpieczenie zapewniające płynne uruchamianie, linię statusu prawidłowego zasilania (Power Good), zabezpieczenie przed przepięciami, uruchamianie ze wstępną polaryzacją, zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą z funkcją automatycznego odzyskiwania sprawności oraz termicznie kompensowane zabezpieczenie nadprądowe z trybem hiccup. Tryb hiccup w przypadku wykrycia nadmiernego prądu wyłącza zasilanie na ustalony czas i powtarza sekwencję aż do usunięcia usterki.

Do ustawiania napięcia wyjściowego wykorzystywany jest interfejs I²C. Umożliwia on również ustawianie parametrów optymalizacji systemu, w tym parametrów dla funkcji rozruchu i zabezpieczeń.

Typowe zastosowania

Grupa przetwornic FS1406 jest w pełni zintegrowana i fabrycznie skonfigurowana pod kątem określonego napięcia docelowego, co eliminuje potrzebę stosowania dzielnika napięcia wyjściowego. Konstrukcja wymaga jednak dodania minimalnej pojemności wyjściowej, aby zapewnić akceptowalne tętnienia wyjściowe i regulację obciążenia. Wymaga również kondensatora wejściowego, aby spełnić wymagania dotyczące prądu wejściowego. Dodatkowe niezbędne elementy obwodu przedstawia ilustracja 5.

Ilustracja 5: w typowym zastosowaniu produkty z grupy przetwornic prądu stałego FS1406 μPOL wymagają w minimalnym zakresie dodatkowych kondensatorów wejściowych i wyjściowych. (Źródło ilustracji: TDK Corporation)

Kondensatory wejściowe i wyjściowe powinny charakteryzować się niską równoważną rezystancją szeregową. Zalecane są wielowarstwowe kondensatory ceramiczne. Szczegółowe wskazówki dotyczące obliczania wartości pojemności wejściowej i wyjściowej zawarto w arkuszu danych FS1406.

Projektantom w rozpoczęciu pracy mogą pomóc płytki ewaluacyjne

Płytka ewaluacyjna dla wersji 1,8V przetwornicy μPOL to EV1406-1800A. Zawiera ona projekt przetwornicy prądu stałego z napięciem wyjściowym 1,8V i wejściowym 12V. Charakteryzuje się ona prądem wyjściowym od 0 do 6A i wymiarami 63 x 84 x 1,5mm (ilustracja 6).

Ilustracja 6: płytka ewaluacyjna EV1406-1800A ma wymiary 63 x 84 x 1,5mm; przetwornica prądu stałego μPOL została wyróżniona na żółto, co daje pewne wyobrażenie o jej niewielkich rozmiarach. (Źródło ilustracji: TDK Corporation)

Rozmiar i możliwości dostarczania mocy przetwornicy μPOL sprawiają, że w pobliżu bezpośrednio programowalnej macierzy bramek (FPGA) lub specjalizowanego układu scalonego (ASIC) może z łatwością zmieścić się nawet kilka tego typu urządzeń. Płytka ewaluacyjna, oprócz przykładowego projektu, posiada wolne miejsca na elementy do montażu przewlekanego pozwalające eksperymentować z wartościami pojemności wejściowej i wyjściowej. Posiada również listwę do wyboru wewnętrznego zasilacza FS1406-1800 lub zewnętrznego źródła napięciowego. Inna listwa zapewnia łatwy dostęp do interfejsu I²C.

Klucz sprzętowy do programowania I²C

Jako pomoc przy projektowaniu, firma TDK oferuje płytkę do programowania I²C TDK-MICRO-POL-DONGLE , która służy do zmieniania napięcia wyjściowego z krokiem co ±5mV. Umożliwia ona również programowanie parametrów zabezpieczeń układu. Płytka współpracuje z darmowym pakietem oprogramowania graficznego interfejsu użytkownika (GUI) dostarczanym przez firmę TDK, zapewniającym łatwość regulacji przetwornicy.

Podsumowanie

Grupa 19 przetwornic prądu stałego μPOL firmy TDK jest przeznaczona dla projektantów wymagających niezawodnego zasilania w punkcie obciążenia (POL) o wysokiej integralności przy minimalnym wpływie na przestrzeń na płytce drukowanej. Przedstawiana grupa produktów obsługuje czternaście popularnych poziomów napięcia wyjściowego, z których każdy może być regulowany z krokiem co ±5mV za pomocą portu I²C. Unikalna, opatentowana konstrukcja przetwornic µPOL wykorzystująca technologię półprzewodników wbudowanych w podłoże (SESUB) zapewnia wysoką gęstość mocy przy minimalnej ilości elementów pomocniczych.