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

Wstęp

Układy scalone przetwarzające dane, takie jak bezpośrednio programowalna macierz bramek (FPGA), SoC i mikroprocesory, nieustannie zwiększają zasięg swoich zastosowań w telekomunikacji, sieciach, przemyśle, motoryzacji, lotnictwie i systemach obronnych. Jedyną wspólną cechą łączącą te systemy jest stały wzrost mocy obliczeniowej prowadzący do odpowiadającego mu zwiększenia zapotrzebowania na energię elektryczną. Projektanci doskonale zdają sobie sprawę z problemów związanych z zarządzaniem parametrami cieplnymi procesorów dużej mocy, ale już niekoniecznie biorą pod uwagę kwestie związane z zarządzaniem ciepłem w systemach zasilania. Podobnie jak w przypadku samych procesorów wyposażonych w tranzystory, w najgorszym wypadku problemy z zarządzaniem ciepłem są nieuniknione, gdy niskie napięcie zasilania rdzenia procesora wymaga dużego prądu – ogólny trend układów zasilania we wszystkich systemach przetwarzania danych. 

Przegląd wymagań dla przetwornic DC/DC: EMI, współczynnik konwersji, rozmiar i wymagania termiczne

Zazwyczaj układy FPGA, SoC i mikroprocesory wymagają wielu szyn zasilających, w tym 5V, 3,3V i 1,8V dla peryferii i zasilania pomocniczego 1,2V i 1,1V dla pamięci DDR4 i LPDDR4, a także 0,8V dla rdzeni procesora. Przetwornice DC/DC, które obsługują szyny zasilania zazwyczaj zasilane są z napięcia 12V lub 5V z baterii lub pośredniej szyny napięcia stałego. W celu obniżenia tych napięć stałych do znacznie mniejszych wartości wymaganych przez procesory, z powodu ich wysokiej sprawności przy dużym stopniu konwersji napięcia, naturalnym wyborem są przełączalne przetwornice obniżające (buck). Przetwornice są dostępne w setkach typów, ale wiele z nich można sklasyfikować jako kontrolery (z zewnętrznym tranzystorem MOSFET) lub regulatory monolityczne (z wbudowanym wewnętrznym tranzystorem MOSFET). Spójrzmy na pierwszy z listy.

Tradycyjne rozwiązania kontrolerów mogą nie być optymalne  

Tradycyjne kontrolery impulsowe sterują zewnętrznymi tranzystorami MOSFET i zawierają elementy kompensujące zewnętrzną pętlę sprzężenia zwrotnego. Uzyskana przetwornica może być bardzo wydajna i wszechstronna, zapewniając jednocześnie dużą moc, ale liczba wymaganych elementów dyskretnych sprawia, że projekt jest względnie skomplikowany i trudny w optymalizacji. Zewnętrzne przełączniki mogą też ograniczyć szybkość przełączania, co jest problemem, gdy miejsce jest na wagę złota, na przykład w motoryzacji lub lotnictwie – im niższa częstotliwość przełączania, tym większy rozmiar komponentów. 

Z drugiej strony regulatory monolityczne mogą znacznie uprościć projekt. Ten artykuł omawia szczegółowo rozwiązania na układach monolitycznych, zaczynając od sekcji 'Zmniejszenie rozmiaru przy jednoczesnej poprawie EMI'. 

Nie przeocz minimalnych czasów włączania i wyłączania

Kolejną ważną kwestią jest minimalny czas włączenia i wyłączenia przetwornicy lub jej zdolność do działania w cyklu wystarczającym do obniżenia napięcia z wejścia na wyjście. Im większy stopień konwersji, tym niższy wymagany minimalny czas działania (choć zależy to również od częstotliwości). W podobny sposób, minimalny czas wyłączenia odpowiada spadkowi napięcia: jak nisko zdąży zmaleć napięcie wejściowe zanim wyjście nie będzie dłużej obsługiwane. Mimo to, iż zwiększenie częstotliwości przełączania ma tę zaletę, że ogólnie rzecz biorąc rozwiązanie jest mniejsze, lecz minimalne czasy włączenia i wyłączenia ustalają górną granicę częstotliwości pracy. Podsumowując, im niższe są te wartości, tym większa swoboda w projektowaniu układów o małych rozmiarach i wysokiej gęstości mocy.

Zwróć uwagę na rzeczywistą wydajność EMI

Aby uzyskać bezpieczną pracę z innymi urządzeniami wrażliwymi na szumy, obowiązkowe są również doskonałe parametry EMI. W przemyśle, telekomunikacji lub motoryzacji minimalizowanie EMI może być istotnym priorytetem w projektach źródeł zasilania. Aby umożliwić współpracę złożonych systemów elektronicznych, unikając problemów wynikających z nakładania się zakłóceń, przyjęto rygorystyczne normy EMI, takie jak specyfikacja promieniowania CISPR25 i CISPR32. Aby spełnić te wymagania, tradycyjne źródła zasilania podchodzą do redukcji EMI na dwa sposoby – łagodzą nachylenie przełączanego sygnału lub obniżają częstotliwość przełączania. Pierwszy sposób skutkuje niższą sprawnością i wyższymi stratami cieplnymi, a drugi mniejszą gęstością mocy.

Obniżona częstotliwość przełączania niesie za sobą ryzyko naruszenia wymagań EMI w standardzie CISPR25, w zakresie pasma AM na częstotliwościach od 530kHz do 1,8MHz. W celu obniżenia poziomu szumów można zastosować mechaniczne techniki łagodzące, w tym złożone, masywne filtry EMI lub metalowe osłony (ekrany), ale podnosi to znacznie koszty i zajmuje dużo miejsca na płytce, zwiększa liczbę komponentów i złożoność montażu, jednocześnie komplikując testowanie i zarządzanie parametrami cieplnymi. Żadna z tych strategii nie spełnia wymagań łącznego zachowania kompaktowych rozmiarów, wysokiej sprawności i niskich zakłóceń EMI. 

Zmniejszenie rozmiaru przy jednoczesnej poprawie EMI, parametrów cieplnych i sprawności

Oczywistym jest, że projekt systemu zasilającego osiągnął punkt złożoności, który stanowi znaczne wyzwanie dla jego projektantów. Aby zdjąć z nich ten ciężar, dobrą strategią jest szukanie rozwiązań źródeł zasilania opartych na układach scalonych, które rozwiązują wiele problemów na raz: zmniejszają złożoność układu na płytce, pracują z wysoką sprawnością, minimalizują straty cieplne i generują niskie EMI. Scalone układy zasilające mogą obsługiwać wiele kanałów wyjściowych i jeszcze bardziej uprościć projektowanie i produkcję. 

Monolityczne scalone układy zasilające, w których przełączniki są wbudowane w ich strukturę, mogą realizować wiele z tych celów. Na przykład, Rysunek 1 pokazuje kompletne dwuwyjściowe rozwiązanie płytki, ilustrując kompaktowy i monolityczny regulator. Zintegrowane tranzystory MOSFET i wbudowany obwód kompensacji w użytym tutaj układzie scalonym wymagają jedynie kilku zewnętrznych komponentów. Całkowity rozmiar rdzenia w tym rozwiązaniu to tylko 22mm x 18mm, który częściowo został osiągnięty dzięki względnie wysokiej częstotliwości przełączania – 2MHz. 

Schemat elektryczny tej układu przedstawiony jest na Rysunku 2. W tym rozwiązaniu przetwornica pracuje z częstotliwością 2MHz i wytwarza napięcia 3,3V i 1,2V o wydajności 8,5A każde, używając dwóch kanałów układu LT8652S. Ten obwód może być łatwo modyfikowany aby wytwarzać różne kombinacje napięć wyjściowych, wliczając 3,3V lub 3,3V i 1,8V oraz 1V itd, lub skorzystać z zalet szerokiego zakresu napięcia wejściowego LT8652S i w celu zwiększenia całkowitej sprawności, wydajności i gęstości mocy, stosować ten układ jako drugi stopień przetwornicy, za regulatorem wstępnym 12V, 5V lub 3,3V. Dzięki wysokiej sprawności i doskonałemu zarządzaniu parametrami cieplnymi, LT8652S może dostarczyć prąd 8,5A w każdym kanale w tym samym czasie, 17A dla pracy równolegle połączonych wyjść i do 12A dla pracy tylko jednego kanału. Przy zakresie napięć wejściowych od 3V do 18V, układ może obejmować większość kombinacji napięcia wejściowego wymaganego dla układów FPGA/SoC/mikroprocesorów. 

Rysunek 2. Aplikacja używająca dwóch kanałów układu LT8652S. Dual-output, 2 MHz, 3.3 V/8.5 A and 1.2 V/8.5 A