Erittäin laadukkaan tehon toimittaminen kriittisille kuormille tehokkaasti pienellä piirilevyn tilatarpeella

Big dataa käsittelevissä palvelimissa ja koneoppimisen, tekoälyn (AI), 5G-verkon, IoT:n ja yritystason tietotekniikan kaltaisissa sovelluksissa tarvitaan usein tehokkaita ASIC-, FPGA-, GPU- ja CPU-laitteita, jotka vaativat suuren virran pienellä jännitteellä ja suuren tehotiheyden pienessä pakkauksessa. Haluttaessa varmistaa laadukas teho koko järjestelmässä voidaan käyttää hajautettuja tehonhallintajärjestelmiä, joissa DC-DC-virtalähteet viedään suoraan kuormapisteeseen (point-of-load, POL) eli lähelle tehokkaita suorittimia. Yhdellä piirilevyllä saattaa olla lukuisia tällaisia DC-DC-muuntimia. Suunnittelijat joutuvatkin miettimään, miten tällaisista laitteista voidaan tehdä mahdollisimman pieniä tilan säästämiseksi piirilevyltä. Järjestelmien täytyy kuitenkin täyttää suorituskykyyn, latenssiin, lämmönhallintaan, hyötysuhteeseen ja luotettavuuteen liittyvät vaatimukset sekä pidettävä suunnitteluprosessi yksinkertaisena ja kustannukset kurissa.

Näihin monitahoisiin ongelmiin voidaan vastata yhdistämällä tehokkaat puolijohteet ja passiiviset komponentit edistyneiden pakkausteknologioiden avulla ja nostamalla järjestelmän integraatiotasoa. Tämä ratkaisu on pienempi ja matalampi kuin muut tällä hetkellä saatavana olevat teknologiat, ja lisäksi se helpottaa lämmönhallintaa. Integroitu lähestymistapa auttaa myös hallitsemaan suunnittelukustannuksia, helpottaa varastonhallintaa ja nopeuttaa kehitystyötä.

Tässä artikkelissa käsitellään hajautettujen tehoverkkojen tarvetta ja POL-teholaitteiden roolia. Sen jälkeen artikkelissa esitellään TDK Corporationin DC-DC-muunninperhe POL-käyttöön. Tässä tarvittavat suorituskykyominaisuudet saavutetaan kehittyneiden pakkaustekniikoiden avulla. Artikkelissa käsitellään myös tuotteiden keskeisiä ominaisuuksia ja kuvaillaan, miten niiden avulla voidaan täyttää vaatimukset, jotka koskevat tehonsyöttöä kuormapisteeseen.

Miksi DC-DC-muuntimia kannattaa käyttää virtalähteinä kuormapisteessä

Tietokoneissa, palvelimissa ja muissa digitaalisissa laitteissa käytetään yhä enemmän FPGA- ja ASIC-piirejä sekä muita korkeatasoisia mikropiirejä, jotka vaativat useita jännitetasoja, joihin järjestelmän virransyöttö ei voi vastata. Tarvittavat jännitteet on lisäksi toimitettava oikeassa järjestyksessä ja mahdollisimman pienellä latenssilla. Koko järjestelmän virtalähteet tuottavat yleensä joitakin tiettyjä kiinteitä jännitteitä, esimerkiksi 1, 3,3 ja 5 volttia. Tyypillinen FPGA vaatii jännitteen 1,2–2,5 volttia (kuva 1).

Kuva 1: Tyypillisessä FPGA-piirissä prosessorin toiminnoille tarvitaan useita eri jännitteitä. Kuvan prosessori käyttää kahdeksaa erillistä virransyöttöä ja kolmea eri jännitettä. (Kuvan lähde: Art Pini)

FPGA tarvitsee vähimmäistasollakin erilliset virransyötöt ytimelle ja I/O-osille. Esimerkin FPGA-ydin käyttää 1,2 voltin ja I/O-toiminnot 2,5 voltin jännitettä. Lisäksi sen apupiireille tarvitaan kuusi muuta tehotasoa. On selvää, että seitsemän erillisen virtalähteen sijoittaminen FPGA-piirin lähelle vaikeuttaa piirilevyn suunnittelua. Lisäksi huomioon on otettava lämmöntuotanto, joten virtalähteiden on oltava pieniä ja tehokkaita.

Ainutlaatuinen järjestelmäintegraatio patentoidun teknologian avulla

Tilavaatimuksen ratkaisemiseksi TDK on kehittänyt oman kuormapistekäyttöön tarkoitetun DC-DC-muunninratkaisunsa, joka ei perustu erillisiin rinnakkain aseteltuihin komponentteihin. Ratkaisussa käytetään sen sijaan TDK:n SESUB-nimellä (Semiconductor Embedded in SUBstrate) kulkevaan SiP-teknologiaan (System-in-Package) perustuvaa 3D-integraatiota. Jännitteenalennusmuuntimen korkeatehoiset puolijohteet sisältävät PWM (Pulse Width Modulation) -ohjaimen sekä MOSFET-transistorit, jotka on upotettu piirilevyn 250 mikrometrin (µm) paksuiseen perusmateriaaliin. Myös virtapiirin lähtöpuolen induktiokelat ja kondensaattorit on integroitu samaan 3D-asetteluun. Lopputulos on erittäin pienikokoinen ja lämmönhallinnaltaan tehokas (kuva 2).

Kuva 2: Patentoitu SESUB-teknologia integroi kehittyneen teho-ohjainmikropiirin ja MOSFET-transistorit 250 µm paksuun substraattiin. Tämä erittäin integroitu DC-DC-muunninmoduuli sisältää myös virtapiirin lähtöpuolen induktiokelan ja kondensaattorit. (Kuvan lähde: TDK Corporation)

Ainutlaatuinen tehoratkaisu kuormapisteeseen

TDK:n minikokoisten DC-DC-tehomoduulien μPOL-tuoteperhe (”mikro-POL”) perustuu juuri SESUB-teknologiaan. Tuoteperheen mallinumerot ovat muotoa FS140x-xxxx-xx, ja se tarjoaa 19 eri vaihtoehtoa, joiden lähtöjännitetasot ovat 5; 3,3; 2,5; 1,8; 1,5; 1,2; 1,1; 1,05; 1; 0,9; 0,8; 0,75; 0,7 ja 0,6 volttia. Ne tukevat mallista riippuen 3–6 ampeerin (A) jatkuvaa kuormavirtaa, ja pakkauksen koko on 3,3 x 3,3 x 1,5 millimetriä (mm) (kuva 3).

Kuva 3: μPOL-sarjan DC-DC-muuntimien koko on vain 3,3 x 3,3 x 1,5 mm, mutta niiden teholuokitus on jopa 15 wattia. (Kuvan lähde: TDK Corporation)

Tämä DC-DC-muunninperhe tarjoaa ainutlaatuisen fyysisen rakenteensa ansiosta jopa 1 watin tehotiheyden / mm³, joten tämän pienen paketin teholuokitus on jopa 15 wattia.

Nimellislähtöjännitteet asetetaan tehtaalla ±0,5 %:n tarkkuudella. Tuote sisältää I²C-rajapinnan, jonka kautta muunninta voidaan ohjata paikallisesti. Lähtöjännitteitä voidaan säätää esiasetetun nimellisjännitteen ympärillä ±5 millivoltin (mV) välein.

FS1406 μPOL-muunnin tarkemmin katsottuna

FS1406-1800-AL on 1,8 voltin DC-DC-muunnin. Sen toimilohkokaaviosta käy ilmi, että laite on pienestä koostaan huolimatta täynnä sofistikoituneita piiritoimintoja (kuva 4).

Kuva 4: FS1406-1800-AL DC-DC-muuntimen toimilohkokaaviosta käy ilmi, että virtapiiri on erittäin sofistikoitunut. Se sisältää muun muassa sisäisen PWM:n, I²C-portin, ohjauslogiikan ja MOSFET-lähtötransistorit. (Kuvan lähde: TDK Corporation)

FS1406-1800-AL-piirin nimellislähtöjännite on 1,8 volttia ja jatkuva kuormituskyky 6 A. Lähtöjännitettä voi säätää I²C-väylän kautta välillä 0,6–2,5 volttia. Laitteen tulojännite on 4,5–16 volttia ja käyttölämpötila-alue -40 °C ... +125 °C.

Tämän DC-DC-muuntimen ytimen muodostaa patentoitu PWM-modulaattori, joka on suunniteltu reagoimaan muutoksiin nopeasti. PWM-modulaattori toimii muuntimen lähtöjännitteeseen suhteutetulla kytkentätaajuudella. Se sopii sisäisen stabiiliuden kompensointinsa ansiosta käytettäväksi monenlaisten lähtökondensaattorityyppien kanssa plug-and-play-laitteena ilman ulkoisia kompensointiverkkoja. Modulaattorin PWM-lähtö ohjaa MOSFET-teholaitteiden hilapiirejä. Paketti sisältää myös edellä mainitun lähtöpuolen suodatininduktiokelan, joten ulkoisia komponentteja tarvitaan vieläkin vähemmän.

Huomaa, että FS1406 sisältää sisäinen alhaisen jännitehäviön (LDO) jännitesäätimen, joka toimii noin 5,2 voltin jännitteellä ja syöttää virtaa sisäisiin virtapiireihin ja MOSFET-transistoreihin.

Suunnittelijoiden kannattaa huomata myös laitteen sisäänrakennetut suojaustoiminnot, kuten pehmeä käynnistys, Power Good ‑tila, ylijännitesuojaus, esibiasoitu käynnistys, terminen katkaisu automaattisella palautumisella sekä lämpökompensoitu ylikuormitussuojaus hikkatilalla. Hikkatila katkaisee virransyötön tietyksi ajaksi, jos laite havaitsee ylivirtatilanteen, ja toistaa tätä sekvenssiä, kunnes vika on poistunut.

Lähtöjännite asetetaan I²C-rajapinnan kautta. Sillä voidaan myös määrittää järjestelmän optimointiparametrit, kuten käynnistys- ja suojaustoimintojen parametrit.

Tyypilliset sovellukset

FS1406-tuoteperhe on täysin integroitu ja säädetty tehtaalla valmiiksi tiettyyn kohdejännitteeseen, joten lähtöjännitejakajaa ei tarvita. Laitteen käyttöön tarvitaan kuitenkin hitunen lisää lähtökapasitanssia, jotta voidaan varmistaa hyväksyttävä lähtöaaltoilu ja kuorman regulointi. Lisäksi syöttövirtavaatimuksen täyttämiseen tarvitaan syöttökondensaattori. Kuvassa 5 on esitetty lisäkomponentit, jotka virtapiiriin vähintään tarvitaan.

Kuva 5: FS1406 μPOL ‑sarjan DC-DC-muuntimeen tarvitsee tyypillisessä sovelluksessa lisätä vain tulo- ja lähtökondensaattorit. (Kuvan lähde: TDK Corporation)

Tulo- ja lähtökondensaattorien ekvivalenttisten sarjavastusten on oltava pienet. Monikerroksisten keraamisten kondensaattorien käyttö on suositeltavaa. FS1406-piirin teknisissä tiedoissa on yksityiskohtaiset ohjeet tulo- ja lähtökondensaattorien arvojen laskemiseen.

Arviointialustat auttavat alkuun suunnittelussa

μPOL-muuntimen 1,8 voltin version arviointialuna toimii EV1406-1800A, jonka tarjoaman DC-DC-muunninratkaisun lähtöjännite on 1,8 volttia ja tulojännite 12 volttia. Alusta tuottaa 0–6 A:n lähtövirran, ja sen koko on 63 x 84 x 1,5 mm (kuva 6).

Kuva 6: EV1406-1800A-arviointialustan koko on 63 x 84 x 1,5 mm. μPOL-DC-DC-muunnin on merkitty keltaisella, minkä ansiosta on helppo nähdä miten pieni se on. (Kuvan lähde: TDK Corporation)

µPOL-muuntimen pienen koon ja korkean tehosyöttökyvyn ansiosta FPGA- tai ASIC-piirin ympärille mahtuu helposti useita tällaisia laitteita. Arviointialusta tarjoaa esimerkin mahdollisesta suunnitteluratkaisusta. Siinä on tyhjiä paikkoja läpiasennettaville komponenteille, joten käyttäjä voi kokeilla erilaisia tulo- ja lähtökondensaattorien arvoja. Alustassa on myös liitin, jolla voidaan valita käyttöön joko FS1406-1800-piirin sisäinen biasoitu syöttöjännite tai ulkoinen jännitelähde. Toisen liitännän kautta päästään käyttämään I²C-rajapintaa.

I²C-ohjelmointiavain

TDK tarjoaa suunnittelun tueksi myös TDK-MICRO-POL-DONGLE-I²C-ohjelmointialustan, jonka avulla lähtöjännitettä voidaan muuttaa ±5 mV:n välein. Sillä voidaan myös ohjelmoida järjestelmän suojausparametrit. Käyttöavainta käytetään TDK:n toimittaman ilmaisen GUI-ohjelmistopaketin kanssa, joten muuntimen säätäminen on helppoa.

Yhteenveto

19 DC-DC-muunninta käsittävä TDK:n mPOL-tuoteperhe tarjoaa hyvän ratkaisun monenlaisiin sovelluksiin suunnittelijoille, jotka tarvitsevat mahdollisimman vähän levytilaa vievää luotettavaa ja laadukasta POL-virransyöttöä. Tuoteperhe tarjoaa 14 yleistä lähtöjännitetasoa, joita kaikkia voidaan säätää I²C-portin kautta ±5 mV:n välein. µPOL-tuotteiden ainutlaatuinen patentoitu SESUB-pohjainen rakenne tarjoaa korkean tehotiheyden ja vaatii vain muutaman lisäkomponentin.