Jak pogodzić rosnący apetyt na energię i minimalną ilość miejsca na płytce?

Obserwacja prądu wyjściowego

W niektórych wysokoprądowych aplikacjach, takich jak telemetria i diagnostyka, musi być zbierana informacja o pobieranym prądzie wyjściowym. Dodatkowo, ograniczanie maksymalnego prądu wyjściowego lub jego obniżanie w zależności od temperatury pracy może zapobiec uszkodzeniu odbiornika. W związku z tym do dokładnej regulacji prądu wyjściowego wymagana jest praca w trybie stałego prądu i napięcia. LT8652S używa pinu IMON do monitorowania i ograniczania prądu dostarczanego do odbiornika. 

IMON programuje regulowany prąd obciążenia, ale może być również skonfigurowany tak, aby zmniejszać prąd regulowany w oparciu o rezystancję pomiędzy IMON a GND (masę). Obniżanie temperatury odbiornika/płytki jest zaprogramowane za pomocą termistora o dodatnim współczynniku temperaturowym. Gdy temperatura odbiornika/płytki wzrasta, napięcie pinu IMON także wzrasta. Aby ograniczyć wyregulowany prąd, napięcie pinu IMON jest porównane z wewnętrznym napięciem odniesienia 1V i tak reguluje współczynnik wypełnienia. Napięcie na wyjściu IMON może być niższe od 1V, ale wtedy nie przyniesie to żadnego efektu. Rysunek 5 przedstawia zależność napięcia wyjściowego i prądu obciążenia przed i po włączeniu pętli prądowej IMON.

Rysunek 5. Napięcie wyjściowe vs. prąd układu LT8652S.

Niskie zakłócenia EMI

Aby zapewnić niezakłóconą pracę złożonych systemów elektronicznych, dla indywidualnych układów stosuje się rygorystyczne normy EMI. Normy takie jak CISPR32 dla przemysłu i CISPR25 dla motoryzacji zostały powszechnie przyjęte w celu zapewnienia kompatybilności w wielu branżach. LT8652S zawiera technologię Silent Switcher, eliminującą zakłócenia EMI i wbudowanymi kondensatorami odsprzęgającymi, która minimalizuje rozmiar anteny szumowej. Rozwiązanie z układem LT8652S w połączeniu z wbudowanymi tranzystorami MOSFET i małym rozmiarem może zapewnić wyjątkową wydajność EMI. Rysunek 6 pokazuje wyniki testu EMI dla płytki demonstracyjnej z układem LT8652S pokazanej na Rysunku 1. Rysunek 6a przedstawia wyniki z detektora szczytu w porównaniu do CISPR25, a rysunek 6b przedstawia wynik pomiaru EMI w odniesieniu do CISPR35. 

Rysunek 6. Test fal EMI dla układu pokazanego na rysunku 1 (VIN = 14 V, VOUT1 = 3.3 V/8.5 A, VOUT2 = 1.2 V/8.5 A).

Praca równoległa dla wyższych prądów i lepszej wydajności cieplnej

Wraz ze wzrostem szybkości przetwarzania danych i zwielokrotnieniu ich ilości, wzrasta moc układów FPGS i SoCs. 'Moc wymaga mocy', przy czym oczekuje się, że źródła zasilania utrzymają gęstość mocy i wydajność. Niemniej jednak nie należy zapominać o zaletach prostoty i solidności w dążeniu do zwiększenia gęstości mocy. W systemach procesorowych, które wymagają prądów większych niż 17A, można zastosować wiele równolegle połączonych układów LT8652S, które działają wspólnie w przeciwnych fazach.

Rysunek 7 przedstawia dwie równolegle połączone przetwornice, celem zapewnienia prądu wyjściowy o wartości 34A przy napięciu 1V. Sygnał zegarowy z jednostki nadrzędnej jest synchronizowany z jednostką podrzędną przez podpięcie sygnału CLKOUT układu U1 z sygnałem SYNC układu U2. Wynikająca z tego różnica faz pomiędzy kanałami zmniejsza tętnienia prądu wejściowego i rozkłada obciążenie na całej płytce.

Aby zapewnić lepszą dostępność prądu w stanie ustalonym i podczas uruchamiania, sygnały VC, FB, SNSGND i SS są ze sobą połączone. Zalecane jest połączenie Kelvina (4 przewodowe) w celu uzyskania dokładnego sprzężenia zwrotnego i odporności na szumy. Aby poprawić wydajność cieplną układu należy umieścić tyle przelotek termicznych, ile to możliwe w sąsiedztwie pinów masy, łącząc je z dolną warstwą płytki. Ceramiczne kondensatory gorącej pętli wejściowej powinny być umieszczone blisko pinów VIN. 

Tam gdzie SoC musi bezzwłocznie dostosowywać się do szybko zmieniających się obciążeń, ponieważ warunki wysterowania mogą zmieniać się w znacznym zakresioe, często i szybko, wymagania dotyczące stanów nieustalonych obciążenia narzuconych przez stosowane w motoryzacji układy SoC mogą być trudne do spełnienia. Nierzadko zdarza się, ze szybkość narastania prądu wynosi 100A/μs dla zasilaczy peryferyjnych a bywa nawet większa dla zasilaczy rdzeni procesorów. Stany nieustalone napięcia na wyjściu zasilacza muszą być zminimalizowane przy szybkich zmianach obciążenia. Wysoka częstotliwość przełączania, powyżej 2MHz, umożliwia szybki powrót do stanu normalnego po stanach przejściowych, z minimalnymi skokami napięcia wyjściowego. Rysunek 7 przedstawia poprawne wartości komponentów pętli kompensującej, która wykorzystuje szybką częstotliwość przełączania i stabilną, dynamiczną odpowiedź pętli. Krytycznym parametrem na layoucie płytki jest indukcyjność ścieżki od wyjściowych kondensatorów do odbiornika. Indukcyjność ta musi być jak najmniejsza. 

Rysunek 7. Czterofazowe rozwiązanie SoC (1V/34A, 2 MHz).

Rysunek 8. Stanu nieustalone układu w Rysynku 7.

Wnioski 

Moc obliczeniowa układów FPGA, SoC i mikroprocesorów ciągle wzrasta, co prowadzi do odpowiedniego wzrostu zapotrzebowania na moc. Wraz ze wzrostem liczby wymaganych szyn zasilających i ich obciążalności, konieczne jest nowe myślenie w odniesieniu do projektu i wydajności systemu zasilającego. Układ LT8652S jest synchronicznym regulatorem obniżającym napięcie, który pracuje w trybie prądowym w technologii Silent Switcher 2, o prądzie wyjściowym 8,5A. Układ działa przy napięciu wejściowym w zakresie od 3V do 18V. Nadaje się do zastosowań zasilanych z pojedynczych akumulatorów Li-Ion wdrażanych w motoryzacji. 

LT8652S pracuje z częstotliwością w zakresie od 300kHz do 3MHz, co umożliwia projektantom zmniejszenie ilości zewnętrznych komponentów i uniknąć pracy w krytycznym paśmie częstotliwości, takich jak AM. Technologia Silent Switcher 2 gwarantuje doskonałe parametry EMI bez poświęcania częstotliwości przełączania i gęstości mocy ani szybkości przełączania i sprawności. Technologia Silent Switcher 2 scala także wszystkie konieczne kondensatory bocznikujące w jednej obudowie, zmniejszając ryzyko niespodzianek związanych z layoutem lub generowaniem zakłóceń EMI.  

Praca w trybie Burst Mode zmniejsza prąd spoczynkowy układu do 16μA, jednocześnie utrzymując niskie tętnienia napięcia wyjściowego. Połączenie małej obudowy LQFN o wymiarach 4mm x 7mm i bardzo małej liczby komponentów zewnętrznych zapewnia niewielką powierzchnię przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów rozwiązania. Łączniki układu LT8652S o rezystancji 24mΩ/8mΩ zapewniają wydajność przekraczającą 90%, podczas gdy przy programowej blokadzie podnapięciowej zoptymalizowano wydajność systemu. Zdalne wykrywanie wyjściowego napięcia różnicowego utrzymuje wysoką dokładność w pełnym zakresie obciążeń, będąc przy tym odpornym na zmiany impedancji ścieżek i minimalizując uszkodzenie odbiornika na skutek czynników zewnętrznych. Do innych funkcji należą: wewnętrzna/zewnętrzna kompensacja, łagodny rozruch, foldback częstotliwości i zabezpieczenie termiczne.