Bruk integrerte step-down-DC-DC-moduler for nedtransformering for høy tetthet, strømomforming med høy virkningsgrad og lav elektromagnetisk interferens (EMI)

Etter hvert som integrasjonsnivået og spredningen av elektroniske enheter øker, er designere under konstant press for å forbedre effektiviteten og samtidig senke kostnader, størrelse og elektromagnetisk interferens (EMI). Mens strømforsyninger har forbedret effekttetthet og effektivitet, står designere nå også overfor utfordringen med å utvikle flerskinnede kraftløsninger for heterogene prosessorkitekturer som kan inkludere en blanding av ASIC-er, DSP-er, FPGA-er og mikrokontrollere.

DC-DC-omformere for nedtransformering (reduksjon – Step-Down) brukes tradisjonelt til å drive slike arkitekturer, men med et økende antall strømskinner kan bruken av tradisjonelle DC-DC-omformere for nedtransformering med kontroll-IC og MOSFET-er for intern eller ekstern effekt – pluss eksterne induktorer og kondensatorer – være kompleks og tidkrevende. I stedet kan designere bruke selvstendige DC-DC-omformermoduler for nedtransformering med flere skinner og programmerbar sekvensering som bedre styrer elektromagnetisk interferens (EMI), har mindre generert varme og mindre monteringsflate.

Denne artikkelen vil gjennomgå strømsystemets behov for innebygde konstruksjoner og diskutere ulike tilnærminger og hva designere må ta hensyn til, før de introduserer konseptet med selvstendige DC-DC-moduler for nedtransformering. Den vil deretter bruke en prøveenhet fra Monolithic Power Systems til kort å gjennomgå design- og layouthensyn designere må ta i beregning for å maksimere ytelsesfordelene til disse modulene.

Derfor trenger innebygde systemer mange strømskinner

Innebygde konstruksjoner som 5G-basestasjoner er ment å støtte stadig økende datavolumkrav fra smarttelefoner og smarttilkoblede enheter i applikasjoner som hjemmeautomatisering og industriell automatisering, autonome kjøretøyer, helsevesen og smarte bærbare enheter. Slike basestasjoner bruker vanligvis en 48 volts inngangsforsyning som transformeres ned av DC/DC-omformere til 24 volt eller 12 volt, og deretter transformeres ned til de mange underskinnene som varierer fra 3,3 volt til mindre enn 1 volt for å drive ASIC-er, FPGA-er, DSP-er og andre enheter i basebåndbehandlingsstadiene. Ofte trenger strømskinnene sekvensering for oppstart og avslutning, noe som gjør strømsystemet ytterligere komplekst for designere.

I eksempelet med 5G-basestasjoner kan ikke den tradisjonelle CPU-en i seg selv lenger oppfylle behandlingskravene. Det er imidlertid fordeler med å bruke et akseleratorkort med FPGA for systemrekonfigurerbarhet, fleksibilitet, kort utviklingssyklus, svært parallell databehandling og lav latenstid (forsinkelse). Men plassen som er tilgjengelig for FPGA-strømforsyningen, krymper, og ytelseskravene for motorskinner er kompliserte (figur 1):

• Utgangsspenningsoffset: Utgangsspenningsavviket for spenningsskinnen må være mindre enn ±3 %, og tilstrekkelig margin bør være igjen i utformingen. Ved å optimalisere kontrollsløyfen for å øke båndbredden og sikre dens stabilitet, bør frakoblingskondensatoren påføres og utformes forsiktig.
• Monotonisk start: Starten på alle spenningsskinner må stige monotonisk, og utformingen bør hindre utgangsspenningen i å gå tilbake til startverdien.
• Utgangsspenningsrippel: I jevn drift må utgangsspenningsrippelen til alle spenningsskinner (unntatt den analoge spenningsskinnen) være maksimalt 10 millivolt (mV).
• Tidspunkt: FPGA-er må oppfylle spesifikke tidskrav under oppstart og avslutning.

Figur 1: På grunn av økende databehandlingskrav har størrelsen på prosessoren på akseleratorkort vokst, noe som gir lite plass til strømforsyningen. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Prosessorer krever mer strøm og kraft ettersom kravene til databehandling båndbredde blir mer krevende. Beregningstettheten og flytepunktshastighet for akseleratorkort blir også vanskeligere for industrien å oppfylle. Akseleratorkortsporet er vanligvis PCIe-standard, så størrelsen på kortet er fast. På grunn av økende databehov og at prosessorens størrelse har vokst, blir det lite rom igjen til strømforsyningen.

Konstruksjonsalternativer for strømsystem

Bruk av tradisjonelle DC-DC-omformere for nedtransformering med styrings-IC og MOSFET-er for intern eller ekstern effekt, pluss eksterne induktorer og kondensatorer, er én tilnærming til innebygd systemstrømforsyning. Som nevnt ovenfor er det en kompleks og tidskrevende prosess for designere når det er behov for flerskinneløsninger. I tillegg til hensyn til effektivitetsmaksimering og minimering av løsningsstørrelse, må konstruktørene være forsiktige med filterkomponentens layout og plassering for å minimere ledet og utstrålt elektromagnetisk interferens (EMI) forårsaket av vekselstrømmer i omformer- og induktorkretsene (figur 2).

Figur 2: DC-DC-omformere for nedtransformering har flere EMI-kilder som designere må håndtere. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

DC-DC-omformere genererer vanligvis ledet elektromagnetisk interferens (EMI) via magnetiske felt fra strømsløyfebanen som dannes mellom MOSFET-utgangseffektbryternoden til jord, samt inngangskondensatoren til jord. De genererer også elektromagnetisk interferens (EMI) som utstrålte elektriske felt fra MOSFET-bryternoden til induktortilkoblingen, som har en høy dV/dt siden den skifter fra høyt inngangsspenningsnivå til jord kontinuerlig, og fra de elektromagnetiske feltene som genereres i induktoren. Unnlatelse av å få riktig design resulterer ofte i tidskrevende EMI-laboratorietester og flere designgjentakelser.

En fireskinneløsning for strømforsyning til en ASIC eller FPGA ved bruk av diskrete nedadgående DC / DC-omformere kan oppta 1220 kvadratmeter (mm)² ) (Figur 3). Dette kan reduseres til ca. 350 mm² ved hjelp av en strømstyrings-IC (PMIC)-basert løsning. Som et alternativ kan designere bruke en selvstendig DC/DC-omformermodul med fire utganger (quad-output) for å redusere løsningsstørrelsen til bare 121 mm², samtidig som designprosessen forenkles og tiden til markedet fremskyndes. Fremskritt innen halvlederprosessteknologi og kapslingskonstruksjon betyr at de siste generasjonene DC-DC-moduler oppnår svært høy effekttetthet, høy virkningsgrad og god EMI-ytelse i liten fysisk størrelse (formfaktor).

Figur 3: Bruk av en integrert DC-DC-DC-modulløsning kan spare opptil 90 % av kortplassen sammenlignet med en diskret løsning. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Nye konstruksjonsteknikker, for eksempel flip-chip i kapslingen og “mesh-connect” ledningsrammeteknologi, betyr at IC, induktor og passiver kan monteres direkte på ledningsrammen uten trådliming eller et ytterligere internt PC-kort (figur 4). Sammenlignet med eldre konstruksjonsstiler som bruker et internt kretskortkortunderlag eller trådforbindelse, kan banelengder for tilkobling minimeres, og direkte tilkobling til passive komponenter holder induktansen lav for å minimere elektromagnetisk interferens (EMI).

Figur 4: En ny form for konstruksjon som bruker ledningsrammen for sammenkoblinger har en rekke fordeler: elektromagnetisk interferens (EMI) er bedre kontrollert, varmeavledningen forbedres, og størrelsen på monteringsflaten reduseres. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Bruk av LGA-kapslingsformat som overflaten monteres direkte på mål-kretskortet gir en lavere EMI-profil enn alternative SIL- eller SIP-kapslinger (single-in-line / SIL package) med ledninger som kan utstråle elektromagnetisk interferens (EMI).

Programmerbare DC/DC-moduler med firedoble integrerte utganger (quad-output)

For å møte de flerskinnede, høye strømtetthetsbehovene til innebygde systemer kan designere bruke MPM54304 fra Monolithic Power Systems (figur 5). MPM54304 er en komplett strømstyringsmodul som integrerer fire step-down-DC-DC-omformere, induktorer og et fleksibelt logisk grensesnitt med høy virkningsgrad. MPM54304, som opererer over et inngangsspenningsområde fra 4 volt til 16 volt, kan støtte et utgangsspenningsområde fra 0,55 volt til 7 volt. De fire utgangsskinnene kan støtte strømmer på opptil 3 ampere (A), 3 A, 2 A og 2 A. De to 3 A-skinnene og to 2 A-skinnene kan parallellkobles for å gi henholdsvis 6 A og 4 A. Designere bør merke seg at maksimal utgangsstrøm i parallell modus også er begrenset av total effekttap. Dette gir fleksibiliteten til å generere flere utgangskonfigurasjoner (underlagt de totale effekttapsbegrensningene):

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

Figur 5: MPM54304 er en komplett step-down-strømstyringsmodul med firedobbel-utgang (quad-output) på 4 volt til 16 volt. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

MPM54304 gir også intern sekvensering for oppstart og avstengning (avslåing). Skinnekonfigurasjonene og sekvenseringen kan forhåndsprogrammeres av den flertidsprogrammerbare (multiple-time programmable – MTP) e-sikringen eller gjennom I²C-bussen.

Denne styringen av DC-DC-omformeren med fast frekvens-på-tid (constant-on-time – COT) gir rask transientrespons. Dens standard bryterfrekvens på 1,5 megahertz (MHz) reduserer kraftig ekstern kondensatorstørrelse. Bytteklokken låses og faseforskyves fra nedtransformering 1 til nedtransformering 4 under CCM-drift (kontinuerlig strømmodus – continuous current mode). Utgangsspenningen kan justeres gjennom I²C-bussen eller forhåndsinnstilt av MTP-e-sikringen.

Fulle beskyttelsesfunksjoner inkluderer underspenningssperre (UVLO), overstrømsvern (OCP) og termisk avstengning. MPM54304 krever et minimalt antall eksterne komponenter og er tilgjengelig i en plassbesparende LGA (7 x 7 x 2 mm) kapsling (figur 6). LGA-ens lave profil gjør den egnet for plassering på baksiden av kortet eller under en kjøleribbe.

Figur 6: MPM54304s LGA-pakke gir en kompakt og lavprofil-løsning med lavt EMI (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Hensyn til utforming og layout

MPM54304 har en enkel uttakspinne langs kanten, noe som gjør designen av kretskortet enklere. Den totale løsningen trenger bare fem eksterne komponenter, samt den er liten og kompakt. LGA-kapslingen lar et solid horisontalt projeksjonsplan dekke det meste av området under modulen, noe som bidrar til å lukke virvelstrømssløyfer og redusere elektromagnetisk interferens (EMI) ytterligere.

Denne step-down-omformeren har en diskontinuerlig inngangsstrøm og krever en kondensator for å levere vekselstrøm til omformeren samtidig som DC-inngangsspenningen opprettholdes. Designere bør bruke lavekvivalente seriemotstandskondensatorer (ESR) for best mulig ytelse. Keramiske kondensatorer med X5R eller X7R dielektrisk utstyr anbefales på grunn av deres lave ESR og små temperaturkoeffisienter. For de fleste utrustninger er 22 microfarad (µF) kondensatorer tilstrekkelige.

Effektivt kretskortoppsett er avgjørende for stabil drift av MPM54304. Et firelags kretskort anbefales for å oppnå bedre termisk ytelse (figur 7). For de beste resultatene bør designere følge disse retningslinjene:

• Hold strømsløyfen så liten som mulig
• Bruk et stort horisontalt projeksjonsplan til å koble direkte til PGND. Hvis bunnlaget er et horisontalt projeksjonsplan, behøves det å legge til gjennomgangsbaner (gjennomgående hull) nær PGND.
• Sørg for at høystrømsbanene på GND og VIN har korte, direkte og brede baner
• Plasser den keramiske inngangskondensatoren så nær enheten som mulig
• Hold inngangskondensatoren og IN så korte og brede som mulig
• Plasser VCC-kondensatoren så nær VCC- og GND-pinnene som mulig
• Koble VIN, VOUT og GND til et stort kobberområde for å forbedre termisk ytelse og langsiktig pålitelighet
• Separer det inngående GND-området fra andre GND-områder på det øverste laget og koble dem sammen på de interne lagene og bunnlaget gjennom flere gjennomgangsbaner (gjennomgående hull)
• Sørg for at det er et integrert GND-område på det indre laget eller bunnlaget
• Bruk flere gjennomgangsbaner (gjennomgående hull) for å koble kraftplanene til interne lag

Figur 7: Et firelags kretskortkortoppsett anbefales ved bruk av MPM54304-firedobbel-utgang (quad-output). (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Konklusjon

Etter hvert som prosessorkitekturer utvikler seg for å håndtere svært krevende datautrustninger, står designere overfor utfordringen med å utvikle flerskinnede strømløsninger som kan støtte økt prosessorkitektur og elektronikk i størrelser (formfaktorer) som enten er statiske eller krymper. DC-DC-omformere for nedtransformering er kritiske komponenter ved utforming av kraftløsninger for disse systemene, men kan være komplekse å implementere.

Som vist kan designere bruke selvstendige step-down-DC-DC-omformermoduler for nedtransformering med flere strømskinner og programmerbar sekvensering, noe som forenkler designprosessen og fremskynder tiden til markedet. De nye konstruksjonsteknikkene som aktiverer disse selvstendige modulene har en rekke ytelsesfordeler: elektromagnetisk interferens (EMI) er bedre kontrollert, varmeavledningen forbedres, og størrelsen på monteringsflaten reduseres.

Anbefalt lesing

1. Bruk programmerbare kraftmoduler til å akselerere DC-DC-regulatorutforming