Effektiv strømforsyning med høy integritet til kritiske laster, med minimal innvirkning på kretskortplassen

Store dataservere, samt bruksområder som maskinlæring, kunstig intelligens (AI), 5G-celler, IoT og databehandling for bedrifter, krever ofte kraftige ASIC-er, FPGA-er, GPU-er og CPU-er som krever høye strømverdier ved lave spenninger, og høy effekttetthet i kompakte formater. For å sikre systemets generelle effektintegritet, brukes distribuerte effektstyringssystemer som bringer DC-DC-strømkilder rett til POL-en (point-of-load), dvs. prosessorene med høy ytelse. Det kan være mange slike DC-DC-strømomformere på ett enkelt kretskort, så problemet konstruktører står overfor, er å gjøre disse enhetene så små som mulig for å spare plass på kortet. Samtidig må de oppfylle kravene til ytelse, latenstid, varme, virkningsgrad og pålitelighet, samt forenkle konstruksjonsprosessen og holde kostnadene nede.

Løsningen på denne matrisen av problemer kombinerer kraftige halvledere og passive komponenter ved å bruke avansert innkapslingsteknologi for å realisere høyere nivåer av systemintegrasjon. Dette har vist seg å gi mindre størrelse med lavere profilhøyde sammenlignet med andre teknologier som er tilgjengelige i dag, samtidig som varmestyring forbedres. Denne integrerte tilnærmingen holder også utviklingskostnadene i sjakk, som inkluderer lagerstyring og utviklingstid.

Denne artikkelen omhandler behovet for distribuerte strømnettverk og rollen til POL-effektenheter. Den introduserer deretter en klasse av POL DC-DC-omformere fra TDK Corporation som bruker avanserte innkapslingsteknikker til å oppnå de nødvendige ytelsesegenskapene. Artikkelen tar også for seg deres fremtredende egenskaper og viser hvordan konstruktører kan implementere disse for å oppfylle POL-strømforsyningskrav.

Derfor velger vi strømkilder som POL DC-DC-omformere

Datamaskiner, servere og annet digitalt utstyr bruker i økende grad FPGA-er, ASIC-er og andre avanserte IC-enheter som krever flere strømforsyningsspenninger som ikke er tilgjengelige fra systemets egen strømforsyning. I tillegg krever de spenninger i riktig sekvensrekkefølge med minimal latenstid. Systemstrømforsyninger tilbyr vanligvis et antall faste spenninger, for eksempel 1; 3,3 og 5 volt. En typisk FPGA krever spenninger i området 1,2 til 2,5 volt (figur 1).

Figur 1: En typisk FPGA krever flere spenninger dedikert til bestemte funksjoner i prosessoren. Prosessoren som vises bruker åtte dedikerte strøminnganger som utnytter tre forskjellige spenninger. (Bildekilde: Art Pini)

En FPGA krever, som et minimum, separate forsyninger for sine kjerne- og I/O-seksjoner. FPGA-en i eksempelet kjører med en kjernespenning på 1,2 volt og I/O-funksjoner på 2,5 volt. I tillegg krever den seks andre effektnivåer for sine driftsstrømkretser. Det er åpenbart at det å ha syv strømkilder plassert i FPGA-ens umiddelbare nærhet er en byrde for kretskortkonstruksjonen. Varmeavledning er også et problem som må tas hensyn til, og som gjør det nødvendig for strømkildene å være små og effektive.

Patentert teknologi oppnår unik systemintegrasjon

For å oppfylle størrelseskravet, utviklet TDK en proprietær konstruksjon for POL DC-DC-omformere som gir avkall på frittstående side-ved-side-komponentlayouter. I stedet bruker den 3D-integrering basert på sin SESUB (Semiconductor Embedded in SUBstrate) SiP-teknologi (Sip – system-in-package). Halvledere med høy ytelse som innlemmer styring med pulsbreddemodulasjon (PWM) og MOSFET-er er integrert i kretskortunderlaget på 250 mikrometer (µm), og danner en spenningsreduksjonsomformer (buck-omformer). Kretsens utgangsinduktor og kondensatorer er også integrert i 3D-layouten, noe som gir en svært kompakt og termisk forbedret kapsling (figur 2).

Figur 2: Patentert SESUB-teknologi integrerer en avansert strømstyrings-IC og MOSFET-er i et kretskortunderlag på 250 mm, samt kretsens utgangsinduktor og kondensatorer som danner en svært integrert DC-DC-omformermodul. (Bildekilde: TDK Corporation)

En unik POL-strømløsning

TDK har SESUB som grunnlaget for sin μPOL-linje (uttales «mikro-POL») av miniatyr-DC-DC-strømmoduler. Produktfamilien, som er betegnet som FS140x-xxxx-xx, kommer med 19 valg med utgangsspenningsnivåer på 5; 3,3; 2,5; 1,8; 1,5; 1,2; 1,1; 1,05; 1; 0,9; 0,8; 0,75; 0,7 og 0,6 volt. Den støtter kontinuerlige laststrømmer i et område som spenner fra 3 til 6 ampere (A) avhengig av modellen, og kommer i en kapsling som måler 3,3 x 3,3 x 1,5 millimeter (mm) (figur 3).

Figur 3: μPOL DC-DC-omformeren er bare 3,3 x 3,3 x 1,5 mm, men den kan håndtere opptil 15 watt. (Bildekilde: TDK Corporation)

Takket være den unike fysiske konstruksjonen, kan denne DC-DC-omformeren levere en effekttetthet på opptil 1 watt per mm³, noe som gjør at denne lille kapslingen kan håndtere opptil 15 watt.

Nominelle utgangsspenninger er fabrikkinnstilt til innenfor ±0,5 %. Et I²C-grensesnitt er inkludert, noe som muliggjør lokal styring av omformeren. Utgangsspenninger kan trimmes i trinn på ±5 millivolt (mV) rundt den forhåndsinnstilte nominelle spenningen.

En titt på innsiden av en FS1406 μPOL-omformer

Det funksjonelle blokkskjemaet til FS1406-1800-AL DC-DC-omformeren på 1,8 volt viser, til tross for sin svært lille størrelse, at enheten er fullpakket med mange sofistikerte kretsfunksjoner (figur 4).

Figur 4: Det funksjonelle blokkskjemaet for FS1406-1800-AL DC-DC-omformeren viser hvor avansert kretsen er, inkludert den interne PWM-en, I²C-porten, styringslogikken og utgangs-MOSFET-ene. (Bildekilde: TDK Corporation)

FS1406-1800-AL har en nominell effekt på 1,8 volt og en kontinuerlig lastevne på 6 A. Utgangsspenningen er I²C-programmerbar fra 0,6 til 2,5 volt. Den krever en inngangsspenning på 4,5 til 16 volt og har et spesifisert driftstemperaturområde som spenner fra –40 °C til +125 °C.

I hjertet av denne DC-DC-omformeren finner vi en proprietær PWM-modulator som er konstruert for å gi en rask, forbigående respons. PWM-modulatoren fungerer med en vekslingsfrekvens som er proporsjonal med omformerens utgangsspenning. Den omfatter intern stabilitetskompensasjon som samsvarer den med en rekke utgangskondensatortyper, uten at det er behov for eksterne kompensasjonsnettverk, noe som gjør den «plug-and-play». PWM-utgangen på modulatoren driver gate-kretsen for MOSFET-strømenhetene. Utgangsfilterinduktoren er som nevnt inkludert i kapslingen, noe som ytterligere minimerer eksterne komponenter.

Vær oppmerksom på at FS1406 inkluderer en intern spenningsregulator med lavt spenningsfall (LDO – low dropout) som kjører på omtrent 5,2 volt for å drive de interne kretsene og MOSFET-ene.

Konstruktører bør også ta hensyn til de integrerte beskyttelsesfunksjonene, som omfatter mykstartbeskyttelse, en «Power Good»-statuslinje, overspenningsvern, forspent oppstart, termisk avstengning med automatisk gjenoppretting og termisk kompensert overstrømsvern med hindringsmodus (hickup mode). Hindringsmodusen slår av strømforsyningen i en fastsatt tidsperiode hvis en overstrømstilstand detekteres, og gjentar sekvensen helt til feilen er fjernet.

I²C-grensesnittet brukes til å konfigurere utgangsspenningen. Den muliggjør også innstilling av parametere for systemoptimalisering, som omfatter parametrene for oppstarts- og beskyttelsesfunksjonene.

Typiske bruksområder

FS1406-familien er fullstendig integrert og fabrikktrimmet til sin spesifiserte målspenning, og eliminerer behovet for en utgangsspenningsdeler. Konstruksjonen krever at en minimal utgangskapasitans legges til for å sikre akseptabel utgangsrippel og lastregulering. Den krever også en inngangskondensator for å kunne håndtere kravene til inngangsstrøm. Minste nødvendige tillegg av kretskomponenter er vist på figur 5.

Figur 5: I en typisk konstruksjon krever FS1406 μPOL DC-DC-omformerfamilien, som et minimum, at bare inngangs- og utgangskondensatorer legges til. (Bildekilde: TDK Corporation)

Inngangs- og utgangskondensatorene bør ha en lav tilsvarende seriemotstand. Flerlags keramikkondensatorer anbefales. Databladet for FS1406 gir detaljert veiledning når det kommer til beregning av både inngangs- og utgangskapasitansverdier.

Evalueringskort hjelper konstruktører med å komme i gang

EV1406-1800A er evalueringskortet for 1,8-volts versjonen av μPOL-omformeren, som gir en konstruksjon for en DC-DC-omformer med en 1,8-volts utgang og en 12-volts inngangskilde. Den forsyner en utgangsstrøm på mellom 0 og 6 A og måler 63 x 84 x 1,5 mm (figur 6).

Figur 6: EV1406-1800A-evalueringskortet måler 63 x 84 x 1,5 mm. μPOL DC-DC-omformeren er uthevet i gult, og gir et perspektiv på den svært lille størrelsen. (Bildekilde: TDK Corporation)

Størrelsen og strømforsyningskapasiteten til µPOL-en gjør det mulig for flere av disse enhetene å plasseres rundt en FPGA eller ASIC. Evalueringskortet gir et konstruksjonseksempel og har åpninger for hullmonteringskomponenter, noe som er gunstig for brukereksperimentering med inngangs- og utgangskapasitansverdier. Den har også en stiftlist for valg av enten FS1406-1800, en intern forspent forsyning, eller en ekstern spenningskilde. En annen stiftlist gir enkel tilgang til I²C-grensesnittet.

I²C-programmeringsdonglen

Som et konstruksjonshjelpemiddel tilbyr TDK programmeringskortet TDK-MICRO-POL-DONGLE I²C, som brukes til å variere utgangsspenningen i trinn på ±5 mV. Det muliggjør også programmering av parametre for systembeskyttelse. Donglen fungerer med en gratis GUI-programvarepakke fra TDK, noe som gjør det enkelt å justere omformeren.

Konklusjon

For konstruktører som krever en pålitelig POL-strømforsyning med høy integritet og minimal innvirkning om kretskortplassen, tilbyr TDK mPOL-linjen med 19 DC-DC-omformere en egnet løsning på tvers av et bredt spekter av bruksområder. Familien støtter fjorten vanlige utgangsspenningsnivåer, der hver av disse kan justeres i trinn på ±5 mV ved å bruke en I²C-port. Den unike, patenterte SESUB-baserte konstruksjonen til µPOL gir høy effekttetthet med minimale støttekomponenter.