Wykorzystanie zintegrowanych modułów obniżających prądu stałego do konwersji zasilania o wysokiej gęstości i sprawności przy niskich zakłóceniach elektromagnetycznych (EMI)

Wraz ze wzrostem poziomu integracji i rozpowszechnieniem urządzeń elektronicznych rośnie presja wywierana na projektantów, aby poprawiać sprawność przy jednoczesnym obniżeniu kosztów, rozmiarów i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Zasilacze udoskonalono pod względem gęstości mocy i wydajności, ale projektanci stają teraz przed wyzwaniem opracowania rozwiązań zasilania wieloszynowego do heterogenicznych architektur przetwarzania, które mogą obejmować kombinację układów ASIC, DSP, FPGA i mikrokontrolerów.

Do zasilania takich architektur tradycyjnie stosuje się obniżające przetwornice prądu stałego, ale wraz z rosnącą liczbą szyn zasilających, zastosowanie takich konwencjonalnych dyskretnych przetwornic obniżających prądu stałego ze sterującym układem scalonym i wewnętrznymi lub zewnętrznymi tranzystorami MOSFET - wraz z zewnętrznymi cewkami indukcyjnymi i kondensatorami - może być złożone i czasochłonne. Zamiast tego projektanci mogą używać samodzielnych modułów obniżających przetwornic prądu stałego z wieloma szynami i programowanym sekwencjonowaniem, które lepiej ograniczają zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), generują mniej ciepła i zajmują mniej miejsca.

W tym artykule dokonamy przeglądu potrzeb układów zasilania w urządzeniach wbudowanych i przedstawimy różne podejścia oraz wskażemy, co projektanci muszą wziąć pod uwagę przed wprowadzeniem koncepcji niezależnych, obniżających modułów prądu stałego. Następnie na przykładzie urządzenia firmy Monolithic Power Systems zostaną krótko omówione kwestie dotyczące konstrukcji i układu, które projektanci muszą mieć na uwadze, chcąc zmaksymalizować korzyści płynące ze zwiększonej wydajności tych modułów.

Dlaczego systemy wbudowane wymagają wielu szyn zasilających

Instalacje wbudowane, takie jak stacje bazowe 5G, mają spełniać stale rosnące wymagania w zakresie ilości przesyłanych danych ze smartfonów i inteligentnych urządzeń podłączonych do sieci w zastosowaniach takich jak: automatyka domowa i przemysłowa, pojazdy autonomiczne, opieka zdrowotna i inteligentne urządzenia ubieralne. Takie stacje bazowe zwykle wykorzystują zasilanie wejściowe 48V, które jest obniżane przez przetwornice prądu stałego do 24V lub 12V, a następnie dalej podawane do wielu szyn podrzędnych i obniżane do wartości od 3,3V do poniżej 1V na potrzeby zasilania układów ASIC, FPGA, DSP i innych urządzeń w stopniach przetwarzania pasma podstawowego. Szyny zasilające często wymagają sekwencjonowania podczas uruchamiania i wyłączania, co dodatkowo zwiększa złożoność układu zasilania dla projektantów.

Tradycyjny procesor sam w sobie nie może już sprostać wymaganiom przetwarzania, co widać na przykładzie stacji bazowych 5G. Istnieją jednak zalety korzystania z karty akceleratora z układem FPGA widoczne w rekonfiguracji, elastyczności, krótkim cyklu rozwojowym, wysoce równoległych obliczeniach i małych opóźnieniach w układzie. Ale przestrzeń dostępna dla zasilacza FPGA kurczy się, a wymagania dotyczące parametrów działania szyny zasilającej są skomplikowane (ilustracja 1):

• Korekcja napięcia wyjściowego: odchylenie napięcia wyjściowego na szynie napięciowej musi być mniejsze niż ± 3%, a w projekcie należy pozostawić wystarczający margines bezpieczeństwa. Przy optymalizacji pętli sterowania w celu zwiększenia szerokości pasma i zapewnienia jej stabilności, należy zastosować i starannie zaprojektować kondensator odsprzęgający.
• Monotoniczny początek: napięcie wyjściowe na wszystkich szynach napięciowych musi wzrastać monotonicznie, a konstrukcja powinna zapobiegać jego powrotowi do wartości początkowej.
• Tętnienia napięcia wyjściowego: podczas pracy w stanie ustalonym tętnienia napięcia wyjściowego na wszystkich szynach napięciowych (z wyjątkiem analogowej szyny napięciowej) nie mogą przekraczać 10mV.
• Czas: bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA) muszą spełniać określone wymagania czasowe podczas uruchamiania i wyłączania.

Ilustracja 1: ze względu na rosnące wymagania obliczeniowe rozmiar procesora na kartach akceleratorów wzrósł, pozostawiając niewiele miejsca na zasilacz. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Procesory wymagają większego prądu i większej mocy, ponieważ wymagania dotyczące przepustowości przetwarzania danych stają się coraz bardziej rygorystyczne. Branży coraz trudniej sprostać wymaganiom dotyczącym gęstości obliczeniowej i szybkości zmiennoprzecinkowej dla kart akceleratorów. Gniazdo karty akceleratora jest zwykle w standardzie PCIe, więc rozmiar płyty jest stały. Ze względu na rosnące wymagania obliczeniowe rozmiar procesora wzrósł, pozostawiając niewiele miejsca na zasilacz.

Alternatywy projektowe układu zasilania

Jednym ze sposobów zasilania układu wbudowanego jest zastosowanie tradycyjnych dyskretnych obniżających przetwornic prądu stałego ze sterującym układem scalonym i wewnętrznymi lub zewnętrznymi tranzystorami MOSFET oraz zewnętrznymi cewkami indukcyjnymi i kondensatorami. Jak wspomniano wcześniej, gdy potrzebne są wieloszynowe rozwiązania zasilające, jest to dla projektantów proces złożony i czasochłonny. Oprócz wzięcia pod uwagę maksymalizacji sprawności i minimalizacji rozmiaru rozwiązania, projektanci muszą zachować ostrożność przy rozmieszczaniu komponentów filtrujących, aby zminimalizować przewodzone i promieniowane zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) spowodowane prądami przełączania w obwodach przetwornicy i cewki indukcyjnej (ilustracja 2).

Ilustracja 2: dyskretne, obniżające przetwornice prądu stałego mają wiele źródeł zakłóceń elektromagnetycznych, którymi projektanci muszą zarządzać. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Przetwornice prądu stałego zwykle generują przewodzone zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) przez pola magnetyczne ze ścieżki pętli prądowej utworzonej między węzłem przełączającym wyjściowego tranzystora mocy MOSFET a masą oraz między kondensatorem wejściowym a masą. Generują one również promieniowane zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) z węzła przełączającego tranzystora MOSFET do połączenia cewki indukcyjnej, które ma wysokie dV/dt, ponieważ przełącza się z wysokiego poziomu napięcia wejściowego na uziemienie w sposób ciągły, oraz z pól elektromagnetycznych generowanych w cewce indukcyjnej. Niepoprawne wykonanie projektu często skutkuje czasochłonnymi powtórnymi testami laboratoryjnymi pod kątem zakłóceń elektromagnetycznych [EMI] i wieloma iteracjami projektowania.

Rozwiązanie czteroszynowe do zasilania układu ASIC lub FPGA za pomocą dyskretnych, obniżających przetwornic prądu stałego może zajmować 1220mm² (ilustracja 3). Zajmowaną powierzchnię można zmniejszyć do około 350mm², stosując rozwiązanie oparte na układzie scalonym zarządzania energią (PMIC). Alternatywnie, aby zmniejszyć rozmiar rozwiązania do zaledwie 121mm², jednocześnie upraszczając proces projektowania i skracając czas wprowadzenia produktu na rynek, projektanci mogą zastosować niezależny, czterowyjściowy moduł przetwornicy prądu stałego. Postępy w technologii półprzewodnikowej i konstrukcji obudowy oznaczają, że najnowsze generacje modułów prądu stałego osiągają bardzo dużą gęstość mocy, wysoką sprawność i dobre osiągi pod względem zakłóceń elektromagnetycznych przy zachowaniu niewielkich rozmiarów.

Ilustracja 3: zastosowanie zintegrowanego rozwiązania w postaci modułu prądu stałego może zaoszczędzić nawet 90% miejsca na płycie w porównaniu z rozwiązaniem dyskretnym. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Nowe techniki konstrukcyjne, takie jak wbudowany flip-chip oraz technologia ramki wyprowadzeniowej „mesh-connect” oznaczają, że układ scalony, cewkę indukcyjną i elementy pasywne można montować bezpośrednio na ramce wyprowadzeniowej bez łączenia przewodów lub dodatkowej wewnętrznej płytki drukowanej (ilustracja 4). W porównaniu ze starszymi konstrukcjami, gdzie wykorzystywano wewnętrzne podłoże płytki drukowanej lub połączenia przewodowe, długości ścieżek połączeń można zminimalizować, a bezpośrednie połączenie z komponentami pasywnymi utrzymuje niską indukcyjność, co zmniejsza poziom zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).

Ilustracja 4: nowa forma konstrukcji, która wykorzystuje ramkę wyprowadzeniową do połączeń ma wiele zalet: zakłócenia elektromagnetyczne są lepiej kontrolowane, rozpraszanie ciepła jest lepsze, a rozmiar zajmowanej powierzchni jest mniejszy. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Zastosowanie formatu obudowy LGA (Land Grid Array), charakteryzującej się montażem powierzchniowym bezpośrednio na docelowej płytce drukowanej, zapewnia niższy poziom zakłóceń elektromagnetycznych niż alternatywne konwertery typu SIL (jeden w linii) lub SIP (jeden w obudowie) z przewodami, które mogą emitować promieniowane zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).

Programowane zintegrowane moduły prądu stałego z czterema wyjściami

Aby sprostać wymaganiom układów wbudowanych z wieloma szynami o dużej gęstości mocy, projektanci mogą skorzystać z modułu MPM54304 firmy Monolithic Power Systems (ilustracja 5). MPM54304 to kompletny moduł zarządzania energią, który łączy w sobie cztery wysokowydajne, obniżające przetwornice prądu stałego, cewki indukcyjne i elastyczny interfejs logiczny. Moduł MPM54304, pracując w zakresie napięcia wejściowego od 4V do 16V, może obsługiwać zakres napięcia wyjściowego od 0,55V do 7V. Cztery szyny wyjściowe mogą obsługiwać prąd o natężeniu do 3A, 3A, 2A i 2A. Dwie szyny 3A i dwie 2A można połączyć równolegle, zapewniając odpowiednio 6A i 4A. Projektanci powinni pamiętać, że maksymalny prąd wyjściowy w trybie równoległym jest również ograniczony przez całkowite straty mocy. Zapewnia to elastyczność w generowaniu kilku konfiguracji wyjściowych (z zastrzeżeniem ograniczeń wynikających z całkowitych strat mocy):

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

Ilustracja 5: urządzenie MPM54304 jest kompletnym modułem zarządzania zasilaniem o napięciu wejściowym od 4V do 16V z funkcją obniżania napięcia i czterema wyjściami. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Moduł MPM54304 zapewnia również wewnętrzne sekwencjonowanie uruchamiania i wyłączania. Konfiguracje szyn i sekwencjonowanie można wstępnie zaprogramować za pomocą wielokrotnie programowalnego bezpiecznika elektronicznego (MTP) lub magistrali I²C.

Omawiana przetwornica prądu stałego ze stałą częstotliwością pracy i sterowaniem w trybie COT (Constant-On-Time) zapewnia szybką odpowiedź impulsową. Jej domyślna częstotliwość przełączania wynosząca 1,5MHz znacznie zmniejsza rozmiar zewnętrznego kondensatora. Podczas pracy w trybie ciągłego przewodzenia (CCM) zegar przełączający jest zablokowany i przesunięty w fazie z obniżenia 1 do obniżenia 4. Napięcie wyjściowe jest regulowane za pomocą magistrali I²C lub ustawione przez bezpiecznik elektroniczny MTP.

Pełne funkcje ochrony obejmują blokadę pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO), zabezpieczenie nadprądowe (OCP) i wyłącznik termiczny. Moduł MPM54304 wymaga minimalnej liczby komponentów zewnętrznych i jest dostępny w oszczędzającej miejsce obudowie LGA (7mm × 7mm × 2mm) (ilustracja 6). Niski profil obudowy LGA sprawia, że nadaje się do umieszczenia z tyłu płyty lub pod radiatorem.

Ilustracja 6: dzięki obudowie LGA modułu MPM54304 uzyskujemy kompaktowe i niskoprofilowe rozwiązanie z niskim poziomem zakłóceń elektromagnetycznych (źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Zagadnienia dotyczące projektowania i układów

Moduł MPM54304 ma prosty układ wyprowadzeń wzdłuż krawędzi, co ułatwia zaplanowanie układu i zaprojektowanie płytki drukowanej. Całe rozwiązanie wymaga tylko pięciu zewnętrznych komponentów, jest małe i kompaktowe. Obudowa LGA umożliwia zastosowanie litej płaszczyzny uziemienia na większości obszaru poniżej modułu, co pomaga zamknąć pętle wirowe i dodatkowo zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne.

Omawiana przetwornica obniżająca ma nieciągły prąd wejściowy i wymaga kondensatora, aby dostarczać prąd zmienny do przetwornicy przy jednoczesnym utrzymaniu napięcia wejściowego prądu stałego. Aby uzyskać najlepsze parametry, projektanci powinni stosować kondensatory o niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR). Zalecane są kondensatory ceramiczne z dielektrykami X5R lub X7R ze względu na ich niską równoważną rezystancję szeregową i niskie współczynniki temperaturowe. Do większości zastosowań wystarczą kondensatory 22µF.

Wydajny układ płytki drukowanej ma kluczowe znaczenie dla stabilnej pracy modułu MPM54304. Aby uzyskać lepsze parametry termiczne, zaleca się użycie czterowarstwowej płytki drukowanej (ilustracja 7). Aby uzyskać jak najlepsze wyniki, projektanci powinni przestrzegać następujących wskazówek:

• Pętla zasilania powinna być jak najmniejsza
• Należy używać dużej płaszczyzny uziemienia, aby podłączyć się bezpośrednio do PGND. Jeśli płaszczyzną uziemienia jest dolna warstwa, należy dodać przelotki w pobliżu PGND.
• Należy zapewnić, że drogi wysokoprądowe w GND i VIN mają krótkie, bezpośrednie i szerokie ścieżki
• Wejściowy kondensator ceramiczny należy umieścić jak najbliżej urządzenia
• Zadbać o to, aby kondensator wejściowy i wejście były jak najkrótsze i najszersze
• Umieścić kondensator VCC jak najbliżej pinów VCC i GND
• Podłączyć VIN, VOUT i GND do dużego obszaru miedzi, aby poprawić parametry termiczne i długoterminową niezawodność
• Oddzielić wejściowy obszar GND od innych obszarów GND na górnej warstwie i połączyć je ze sobą na warstwach wewnętrznych i dolnej warstwie za pomocą wielu przelotek
• Upewnić się, że na warstwie wewnętrznej lub warstwie dolnej znajduje się zintegrowany obszar GND
• Użyć wielu przelotek, aby połączyć płaszczyzny zasilania z warstwami wewnętrznymi

Ilustracja 7: w przypadku korzystania z modułu zasilania MPM54304 z czterema wyjściami zalecany jest czterowarstwowy układ płytki drukowanej. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Podsumowanie

Ponieważ architektury przetwarzania ewoluują, aby sprostać bardzo wysokim wymaganiom zastosowań przetwarzania danych, projektanci stają przed wyzwaniem opracowania wieloszynowych rozwiązań zasilania, które będą w stanie obsługiwać zwiększoną moc obliczeniową i elektronikę przy jednoczesnym zmniejszeniu lub utrzymaniu ich dotychczasowych rozmiarów. Obniżające przetwornice prądu stałego są krytycznymi komponentami w projektowaniu rozwiązań zasilania dla tych układów, ale ich wdrożenie może być skomplikowane.

Projektanci mogą skorzystać z samodzielnych, obniżających modułów prądu stałego z wieloma szynami zasilającymi i programowanym sekwencjonowaniem, co upraszcza proces projektowania i skraca czas wprowadzenia produktu na rynek. Ponadto nowe techniki konstrukcyjne, które umożliwiają stosowanie omawianych niezależnych modułów, mają szereg zalet: zakłócenia elektromagnetyczne są lepiej kontrolowane, rozpraszanie ciepła jest lepsze, a rozmiar zajmowanej powierzchni jest mniejszy.

Rekomendowane artykuły

1. Wykorzystanie programowanych modułów zasilających do przyspieszenia projektowania regulatorów prądu stałego