Käytä korkean tiheyden ja korkean hyötysuhteen tehomuunnoksiin EMI-häiriötasoltaan alhaisia integroituja DC/DC-jännitteenalennusmoduuleja

Elektroniikkalaitteiden integrointiasteen kasvaessa ja niiden käyttöalueen laajentuessa suunnittelijoilla on jatkuva paine parantaa tehokkuutta, laskea kustannuksia, pienentää kokoa ja vähentää sähkömagneettisia häiriöitä (EMI). Virtalähteiden tehotiheyden ja hyötysuhteen parantumisen myötä suunnittelijoilla on nyt haasteena myös kehittää usean jännitteen tehoratkaisuja heterogeenisiin prosessointiarkkitehtuureihin. Näihin voi sisältyä sovelluskohtaisten mikropiirien (ASIC), digitaalisten signaaliprosessorien (DSP), ohjelmoitavien porttimatriisien (FPGA) ja mikrokontrollerien yhdistelmiä.

Tällaisten arkkitehtuurien virransyöttöön käytetään perinteisesti DC/DC-jännitteenalennusmuuntimia, mutta jännitteiden määrän kasvaessa perinteisten erillisten DC/DC-jännitteenalennusmuunninten käyttö voi olla monimutkaista ja aikaa vievää, koska nämä usein tarvitsevat ohjausmikropiirejä, sisäisiä tai ulkoisia MOSFET-transistoreja sekä ulkoisia induktiokeloja ja kondensaattoreita. Suunnittelijat voivat käyttää niiden sijasta erillisiä DC/DC-jännitteenalennusmoduuleja, jotka tarjoavat useita jännitteitä ja ohjelmoitavan sekvensoinnin. Ne tuottavat vähemmän sähkömagneettisia häiriöitä ja lämpöä ja ne tarvitsevat vähemmän tilaa.

Tässä artikkelissa tarkastellaan sulautettujen tuotteiden virtajärjestelmien tarpeita sekä käsitellään erilaisia lähestymistapoja ja aiheita, joita suunnittelijoiden on otettava huomioon ennen erillisten DC/DC-jännitteenalennusmoduulien konseptin esittelyä. Sen jälkeen Monolithic Power Systemsin mallilaitteen avulla käsitellään lyhyesti suunnittelu- ja asettelunäkökulmia, jotka suunnittelijoiden täytyy pitää mielessä näiden laitteiden tehokkuusetujen maksimoimiseksi.

Miksi sulautetut järjestelmät vaativat useita jännitteitä

Sulautettujen tuotteiden, kuten 5G-tukiasemien, halutaan tukevan älypuhelinten ja älykkäiden verkkoon yhdistettävien laitteiden jatkuvasti kasvavia datamäärävaatimuksia sellaisissa käyttökohteissa kuten kodin automaatio ja teollisuusautomaatio, autonomiset ajoneuvot, terveydenhoito ja älykkäät puettavat laitteet. Tällaiset tukiasemat käyttävät tyypillisesti 48 voltin tulojännitettä, joka alennetaan DC/DC-muuntimilla 24 volttiin tai 12 volttiin. Tämä alennetaan sen jälkeen useisiin eri jännitteisiin 3,3 voltista alle 1 volttiin virran syöttämiseksi ASIC-piireihin, DSP-prosessoreihin, FGPA-matriiseihin ja muihin laitteisiin kantataajuuden prosessointivaiheissa. Eri jännitteet vaativat usein sekvensointia käynnistystä ja sammutusta varten, mikä lisää entisestään virtajärjestelmän monimutkaisuutta suunnittelijoiden kannalta.

Esimerkiksi 5G-tukiasemissa perinteinen CPU ei voi enää yksistään täyttää prosessointivaatimuksia. FPGA-matriisin sisältävän kiihdytinkortin käyttö tarjoaa kuitenkin useita etuja parantaen järjestelmän uudelleenkonfiguroitavuutta ja joustavuutta, nopeuttaa kehityskiertoa, parantaa rinnakkaista laskentatehoa sekä laskee latenssia. Mutta FPGA-virtalähteelle käytettävissä oleva tila on kutistumassa ja eri jännitteiden suorituskykyvaatimukset ovat monimutkaisia (kuva 1):

• Lähtöjännitteen poikkeama: lähtöjännitepoikkeaman täytyy olla alle ±3 % ja suunnitteluun täytyy jättää riittävästi marginaalia. Säätöpiirin optimointiin kaistanleveyden kasvattamiseksi ja sen stabiilisuuden parantamiseksi on käytettävä erotuskondensaattoria ja se on suunniteltava huolellisesti.
• Monotoninen käynnistys: kaikkien jännitteiden on noustava monotonisesti ja suunnitelmassa tulee estää lähtöjännitteen palaaminen alkuarvoonsa.
• Lähtöjännitteen aaltoilu: vakaassa toimintatilassa lähtöjännitteen aaltoilu saa olla kaikilla jännitteillä (analogista jännitettä lukuun ottamatta) enintään 10 millivolttia (mV).
• Ajoitus: FPGA-matriisien tulee täyttää erityiset ajoitusvaatimukset käynnistyksen ja sammutuksen aikana.

Kuva 1: Laskentavaatimusten kasvun myötä kiihdytinkorttien prosessorin koko on kasvanut jättäen hyvin vähän tilaa virtalähteelle. (Kuvan lähde: Monolithic Power Systems)

Prosessorit tarvitsevat enemmän virtaa ja tehoa dataprosessoinnin kaistanleveysvaatimuksien kasvaessa. Lisäksi kiihdytinkorttien laskentatiheyttä ja liukulukunopeutta koskevien vaatimusten täyttämisestä on tulossa alalla yhä hankalampaa. Kiihdytinkorttipaikka on yleensä PCIe-standardin mukainen, joten kortin koko on kiinteä. Laskentavaatimusten kasvun myötä prosessorin koko on kasvanut jättäen hyvin vähän tilaa virtalähteelle.

Vaihtoehtoja virtajärjestelmän suunnitteluun

Ohjausmikropiirin ja sisäiset tai ulkoiset MOSFET-tehotransistorit vaativien perinteisten erillisten DC/DC-jännitteenalennusmuunninten käyttö on yksi tapa sulautettujen järjestelmien virransyöttöön. Kuten edellä on mainittu, usean jännitteen tehoratkaisujen tarve merkitsee suunnittelijoille monimutkaista ja aikaa vievää prosessia. Hyötysuhteen maksimoinnin ja sovelluskoon minimoinnin ohella suunnittelijoiden täytyy pohtia huolellisesti suodatinkomponentin rakenne ja sijoittelu kytkentävirtojen aiheuttamien johtuvien ja säteilevien EMI-häiriöiden minimoimiseksi muunnin- ja induktiokelapiireissä (kuva 2).

Kuva 2: Erillisissä DC/DC-jännitteenalennusmuuntimissa on useita EMI-häiriöiden lähteitä, joita suunnittelijoiden täytyy hallita. (Kuvan lähde: Monolithic Power Systems)

DC/DC-muuntimet tuottavat normaalisti johtuvia EMI-häiriöitä virtasilmukkapolun magneettikenttien kautta, jotka muodostuvat lähtötehon MOSFET-kytkentäsolmun maan ja tulokondensaattorin maan välille. Ne synnyttävät myös säteilevän EMI-sähkökentän MOSFET-kytkentäsolmun ja induktiokelaliitännän välille. Tällä on korkea dV/dt, koska se kytketään korkealta tulojännitetasolta jatkuvasti maahan. Näihin vaikuttavat myös induktiokelassa syntyvät sähkömagneettiset kentät. Ellei suunnitelmaa saada onnistumaan, tämä johtaa usein aikaa vieviin uudelleentestauksiin EMI-laboratoriossa ja moniin suunnitteluiteraatioihin.

Neljän jännitteen ratkaisu ASIC- tai FPGA-piirin virtalähteeksi erillisillä DC/DC-jännitteenalennusmuuntimilla voi viedä tilaa 1220 neliömillimetriä (mm²) (kuva 3). Tilantarvetta voidaan pienentää noin 350 mm²:iin tehonhallintamikropiiriin (PMIC) perustuvaa ratkaisua käyttämällä. Suunnittelijat voivat käyttää vaihtoehtoisesti erillistä neljällä lähdöllä varustettua DC/DC-muunninmoduulia, mikä pienentää sovelluskoon vain 121 mm²:iin ja samalla yksinkertaistaa suunnitteluprosessia ja nopeuttaa markkinoille tuontia. Puolijohdeprosessitekniikan ja kotelorakenteen edistysaskeleet tarkoittavat, että DC/DC-moduulien uusimmat sukupolvet tarjoavat hyvin korkean tehotiheyden, korkean hyötysuhteen ja hyvän EMI-suorituskyvyn pienessä koossa.

Kuva 3: Integroitu DC/DC-moduuliratkaisu voi säästää piirilevytilaa jopa 90 % erillisratkaisuun verrattuna. (Kuvan lähde: Monolithic Power Systems)

Uusien rakennetekniikoiden (esimerkkinä koteloon integroitu flip-chip ja ”Mesh-Connect”-johdinkehysteknologia) ansiosta mikropiiri, induktiokela ja passiivikomponentit voidaan asentaa suoraan johdinkehykseen ilman lankaliittämisen tai ylimääräisen sisäisen piirilevyn tarvetta (kuva 4). Vanhempiin rakennetyyleihin verrattuna, joissa käytetään sisäistä piirilevyalustaa tai lankaliittämistä, liitettävien johdinten pituudet voidaan minimoida ja suora liitäntä passiivikomponentteihin pitää induktanssin alhaisena EMI-häiriöiden minimoimiseksi.

Kuva 4: Uudella rakennemuodolla, jossa liitäntöihin käytetään johdinkehystä, on joukko etuja: EMI-häiriöiden hallinta on helpompaa, lämmön dissipaatio paranee ja tarvittava tila pienenee. (Kuvan lähde: Monolithic Power Systems)

Suoraan kohdepiirilevylle asennettava LGA (Land Grid Array) -kotelomuoto on EMI-profiililtaan matalampi kuin vaihtoehtoiset SIL (Single-In-Line)- tai SIP (SIL Package) -muuntimet, jotka sisältävät johtimia, jotka voivat säteillä EMI-häiriöitä.

Neljällä lähdöllä varustetut ohjelmoitavat, ja integroidut DC/DC-moduulit

Suunnittelijat voivat täyttää sulautettujen järjestelmien useiden jännitteiden ja korkean virtatiheyden tarpeet käyttämällä Monolithic Power Systemsin MPM54304-moduulia (kuva 5). MPM54304 on valmis tehonhallintamoduuli, joka sisältää neljä korkean hyötysuhteen DC/DC-jännitteenalennusmuunninta, induktiokelat ja joustavan logiikkarajapinnan. 4–16 V:n tulojännitealueella toimiva MPM54304 tukee 0,55–7 V:n lähtöjännitealuetta. Neljän lähtöjännitteen tukemat enimmäissähkövirrat: 3 ampeeria (A), 3 A, 2 A ja 2 A. Kaksi 3 A:n kiskoa ja kaksi 2 A:n kiskoa voidaan kytkeä rinnakkain tuottamaan 6 A ja 4 A. Suunnittelijoiden tulee huomata, että maksimia lähtövirtaa rajoittaa rinnakkaistilassa myös kokonaistehohäviö. Tämä tarjoaa joustavuutta useiden lähtökonfiguraatioiden luontiin (kokonaistehohäviötä koskevien rajoituksien mukaisesti):

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

Kuva 5: MPM54304 on valmis tehonhallintamoduuli jännitteenalennukseen 4–16 voltin tulojännitteellä ja neljällä lähdöllä. (Kuvan lähde: Monolithic Power Systems)

MPM54304 mahdollistaa myös sisäisen sekvensoinnin käynnistystä ja sammutusta varten. Jännitekonfiguraatiot ja sekvensointi voidaan ohjelmoida elektronisella MTP (Multiple-Time Programmable) -sulakkeella tai I²C-väylän kautta.

Tämä vakio taajuutta käyttävä COT (constant-on-time) -ohjauksella varustettu DC/DC-muunnin tarjoaa nopean transienttivasteen. Sen 1,5 megahertsin (MHz) vakiokytkentätaajuus pienentää huomattavasti ulkoisen kondensaattorin kokoa. Kytkentäkello on kiinteä ja käyttää vaihesiirtymää jännitteenalentimesta 1 jännitteenalentimeen 4 jatkuvaa johtavuustilaa (CCM) käytettäessä. Lähtöjännite on säädettävissä I²C-väylän kautta tai asetettavissa elektronisella MTP-sulakkeella.

Monipuolisiin suojausominaisuuksiin kuuluvat alijännitelukitus (UVLO), ylivirtasuojaus (OCP) ja terminen katkaisu. MPM54304 vaatii minimimäärän ulkoisia komponentteja ja se on saatavana tilaa säästävässä LGA-kotelossa (7 mm x 7 mm x 2 mm) (kuva 6). LGA voidaan matalan profiilinsa ansiosta sijoittaa levyn takapuolelle tai jäähdytyslevyn alapuolelle.

Kuva 6: MPM54304-moduulin LGA-kotelo tarjoaa kompaktin ja matalaprofiilisen ratkaisun alhaisilla EMI-häiriöillä (kuvan lähde: Monolithic Power Systems)

Suunnittelu- ja asetteluhuomioita

MPM54304-moduulin yksinkertainen nastajärjestys sijaitsee piirin reunalla, mikä helpottaa asettelua ja piirilevyn suunnittelua. Kokonaisratkaisu on pieni ja kompakti, koska se vaatii vain viisi ulkoista komponenttia. LGA-kotelo mahdollistaa sen, että yhtenäinen maataso kattaa suurimman osan pinta-alasta moduulin alapuolella, mikä auttaa sulkemaan pyörrevirtasilmukat ja vähentämään entisestään EMI-häiriöitä.

Tämä jännitteenalennusmuunnin käyttää epäjatkuvaa tulovirtaa ja se vaatii kondensaattorin AC-virran syöttöön muuntimeen ja samanaikaiseen DC-tulojännitteen ylläpitoon. Suunnittelijoiden tulisi käyttää ESR (Equivalent Series Resistance) -arvoltaan alhaisia kondensaattoreita parhaan mahdollisen hyötysuhteen saavuttamiseksi. Keraamiset kondensaattorit X5R- tai X7R-dielektriikalla ovat suositeltavia niiden matalan ESR-arvon ja pienien lämpötilakertoimien ansiosta. Useimpiin sovelluksiin riittävät 22 mikrofaradin (µF) kondensaattorit.

Tehokas piirilevyasettelu on erittäin tärkeää MPM54304-moduulin vakaan toiminnan kannalta. Parhaan termisen suorituskyvyn saavuttamiseen suositellaan nelikerroksista piirilevyä (kuva 7). Suunnittelijoiden tulisi noudattaa näitä ohjeita parhaiden mahdollisten tulosten saavuttamiseksi:

• Pidä virtapiiri mahdollisimman pienenä
• Käytä kookasta maatasoa, joka on liitetty suoraan PGND-tasoon. Jos alakerros toimii maatasona, lisää läpivientejä PGND-tason lähelle.
• Varmista, että GND- ja VIN-tasojen sähkövirraltaan suurilla poluilla on lyhyet, suorat ja leveät johtimet.
• Sijoita keraaminen tulokondensaattori mahdollisimman lähelle laitetta.
• Pidä tulokondensaattorin ja IN-tulon johtimet mahdollisimman lyhyinä ja leveinä.
• Sijoita VCC-kondensaattori mahdollisimman lähelle VCC- ja GND-nastoja.
• Yhdistä VIN, VOUT ja GND kookkaaseen kuparialueeseen termisen suorituskyvyn ja pitkäaikaisen luotettavuuden parantamiseksi.
• Erota tulon GND-alue muista yläkerroksen GND-alueista ja liitä ne yhteen sisäkerroksissa ja alakerroksessa useiden läpivientien avulla.
• Varmista, että sisäkerros tai alakerros sisältää yhteisen GND-alueen.
• Liitä virtatasot sisäkerroksiin useiden läpivientien avulla.

Kuva 7: Nelikerroksinen piirilevyasettelu on suositeltavaa käytettäessä neljällä lähdöllä varustettua MPM54304-tehomoduulia. (Kuvan lähde: Monolithic Power Systems)

Yhteenveto

Prosessointiarkkitehtuurien kehittyessä erittäin vaativia datasovelluksia varten suunnittelijoilla on haasteena kehittää usean jännitteen tehoratkaisuja, jotka voivat tukea suurempaa prosessointitehoa ja elektroniikkaa muodoltaan joko samassa tai pienemmässä koossa. DC/DC-jännitteenalennusmuuntimet ovat erittäin tärkeitä komponentteja suunniteltaessa virtaratkaisuja näille järjestelmille, mutta niiden toteuttaminen voi olla monimutkaista.

Kuten edellä on osoitettu, suunnittelijat voivat käyttää erillisiä DC/DC-jännitteenalennusmoduuleja jotka tarjoavat useita jännitteitä ja ohjelmoitavan sekvensoinnin. Tämä yksinkertaistaa suunnitteluprosessia ja nopeuttaa markkinoille tuontia. Myös uudet rakennetekniikat, jotka mahdollistavat nämä erilliset moduulit, tarjoavat useita suorituskykyetuja: EMI-häiriöiden hallinta on helpompaa, lämmön dissipaatio paranee ja tarvittava tila pienenee.

Suositeltavaa luettavaa

1. Nopeuta DC/DC-regulaattorin suunnittelua käyttämällä ohjelmoitavia tehomoduuleja