Levererar kraft på ett effektivt sätt, med hög integritet till kritiska belastningar med minimal påverkan på kretskortsutrymmet

Servrar för stora datamängder, liksom tillämpningar som maskininlärning, artificiell intelligens (AI), 5G-celler, IoT och företagsdatorer, kräver ofta kraftfulla ASIC:er, FPGA:er, GPU:er och CPU:er som kräver höga strömmar vid låga spänningar och hög effekttäthet i kompakta format. För att säkerställa systemets totala strömförsörjningsintegritet används distribuerade strömförsörjningssystem som för DC/DC-strömkällorna direkt till belastningspunkten (POL), dvs. de högeffektiva processorerna. Det kan finnas många sådana DC/DC-strömomvandlare på ett enda kort, så problemet för konstruktörerna är att göra dessa enheter så små som möjligt för att spara plats på kortet. Samtidigt måste de uppfylla kraven på prestanda, latens, värme, effektivitet och tillförlitlighet, samtidigt som de förenklar konstruktionsprocessen och håller kostnaderna nere.

Lösningen på denna problemställning kombinerar högeffektiva halvledare och passiva komponenter med hjälp av avancerad kapslingsteknik för att uppnå högre nivåer av systemintegration. Detta har visat sig ge mindre storlek och en lägre profil jämfört med annan tillgänglig teknik, samtidigt som den förbättrar den termiska hanteringen. Samtidigt håller det integrerade tillvägagångssättet nere kostnaderna för konstruktion, inklusive lagerhantering och utvecklingstid.

Artikeln diskuterar behovet av distribuerade kraftnät och effektenheternas roll vid belastningspunkten. Därefter presenteras en klass av DC/DC-omvandlare för belastningspunkten från TDK Corporation som använder avancerad kasplingsteknik för att uppnå de prestandaegenskaper som krävs. Artikeln diskuterar även deras framträdande egenskaper och visar hur konstruktörer kan använda dem för att uppfylla sina krav på strömförsörjning vid belastningspunkten.

Varför DC/DC-omvandlare vid belastningspunkten

Datorer, servrar och annan digital utrustning använder allt oftare FPGA:er, ASIC:er och andra avancerade integrerade kretsar som kräver flera olika spänningar som inte finns tillgängliga i systemets strömförsörjning. Dessutom kräver de dessa spänningar i rätt ordningsföljd med minimal latens. Systemets strömförsörjning tillhandahåller i allmänhet ett antal fasta spänningar, t.ex. 1, 3,3 och 5 V. En typisk FPGA kräver spänningar på mellan 1,2 till 2,5 V (figur 1).

Figur 1: En typisk FPGA kräver flera spänningar för specifika funktioner i processorn. Den visade processorn använder åtta dedicerade ingångar för strömförsörjning med tre olika spänningar. (Bildkälla: Art Pini)

En FPGA kräver som minst, separata matningar för kärnan och I/O-sektionerna. Kärnan i FPGA:n i exemplet körs med 1,2 V och I/O-funktionerna med 2,5 V. Dessutom krävs sex andra effektnivåer för dess kringkretsar. Det är uppenbart att sju strömkällor som placeras i närheten av FPGA:n innebär ett bekymmer vid utformningen av kretskortet. Det finns även en fråga om värmeavledning att beakta, vilket gör att kraftkällorna måste vara små och effektiva.

Patenterad teknik ger unik systemintegration

För att uppfylla storlekskravet har TDK utvecklat en egen konstruktion för DC/DC-omvandlare vid belastningspunkten som gör att man inte behöver placera diskreta komponenter sida vid sida. Istället används 3D-integration baserad på SESUB-tekniken (Semiconductor Embedded in SUBstrate) som bygger på tekniken SiP (system-in-package). Högeffektiva halvledare som innehåller en PWM-styrenhet (pulsbreddsmodulering) och MOSFET:ar är inbäddade i kretskortets 250 µm substrat och bildar en step-downomvandlare (buck-omvandlare). Induktorn och kondensatorerna på kretsens utgång är också integrerade i 3D-layouten och skapar ett extremt kompakt, termiskt förbättrat paket (figur 2).

Figur 2: Den patenterade SESUB-tekniken integrerar en avancerad integrerad krets för strömstyrning och MOSFET:ar i ett 250 mm substrat, tillsammans med induktorn och kondensatorerna för kretsens utgång, för att bilda en högintegrerad DC/DC-omvandlarmodul. (Bildkälla: TDK Corporation)

En unik kraftlösning vid belastningspunkten

TDK använder SESUB som grund för sin serie μPOL (uttalas "micro-POL") av miniatyrmoduler för DC/DC-strömförsörjning. Produktfamiljen, som har namnet FS140x-xxxx-xx, finns i 19 olika utföranden med utgångsspänningar på 5, 3,3, 2,5, 1,8, 1,5, 1,2, 1,1, 1,05, 1, 0,9, 0,8, 0,75, 0,7 och 0,6 V. De tål kontinuerliga belastningsströmmar från 3 till 6 A beroende på modell och levereras i en kapsling med måtten 3,3 x 3,3 x 1,5 mm (figur 3).

Figur 3: DC/DC-omvandlaren μPOL är endast 3,3 x 3,3 x 1,5 mm stor, men kan hantera upp till 15 W. (Bildkälla: TDK Corporation)

Tack vare sin unika fysiska konstruktion kan denna familj av DC/DC-omvandlare leverera en effekttäthet på upp till 1 W per mm³, vilket gör att denna lilla kapsling kan hantera upp till 15 W.

De nominella utgångsspänningarna är fabriksinställda inom ±0,5 %. Ett I²C-gränssnitt som möjliggör lokal styrning av omvandlaren ingår. Utgångsspänningarna kan trimmas i steg om ±5 mV kring den förinställda nominella spänningen.

En titt på insidan av μPOL-omvandlaren FS1406

Det funktionella blockdiagrammet för DC DC-omvandlaren FS1406-1800-AL för 1,8 V visar att enheten trots sin ringa storlek har många sofistikerade kretsfunktioner (figur 4).

Figur 4: Funktionellt blockdiagram för DC/DC-omvandlaren FS1406-1800-AL som visar hur sofistikerad kretsen är, inklusive intern PWM, I²C-port, styrlogik och utgående MOSFET:ar. (Bildkälla: TDK Corporation)

FS1406-1800-AL har en nominell utgång på 1,8 V och en kontinuerlig belastningskapacitet på 6 A. Utgångsspänningen är I²C-programmerbar från 0,6 till 2,5 V. Den kräver en inspänning på 4,5 till 16 V och har ett specificerat driftstemperaturområde från -40 till +125 °C.

Hjärtat i DC/DC-omvandlaren är den egenutvecklade PWM-modulatorn som är utformad för att ge ett snabbt, transient svar. PWM-modulatorn arbetar med en switchningsfrekvens som är proportionell mot omvandlarens utgångsspänning. Den har en intern stabilitetskompensation som anpassar den till en mängd olika typer av utgångskondensatorer utan behov av externa kompensationsnätverk, vilket gör den "plug-and-play". Modulatorns PWM-utgång driver gatedrivkretsen i MOSFET-effektenheterna. Filterinduktorn på utgången ingår, som tidigare nämnts, i kapslingen, vilket minimerar antalet externa komponenter ytterligare.

Observera att FS1406 har en intern spänningsregulator med lågt bortfall (LDO) som arbetar med ca 5,2 V för att driva den interna kretsen och MOSFET:arna.

Konstruktörer bör dessutom lägga märke till de inbyggda skyddsfunktionerna som inkluderar mjukstartskydd, en statuslinje för "Power Good", överspänningsskydd, förspänd uppstart, termisk avstängning med automatisk återhämtning och termiskt kompenserat överströmsskydd med repetitionsläge. Repetitionsläget stänger av strömförsörjningen under en fast tidsperiod om en överströmshändelse upptäcks och upprepar sekvensen tills felet har avlägsnats.

I²C-gränssnittet används för att ställa in utgångsspänningen. Det gör det också möjligt att ställa in parametrar för systemoptimering, inklusive parametrar för start- och skyddsfunktioner.

Typiska användningsområden

Familjen FS1406 är helt integrerade och fabriksanpassade till den angivna målspänningen, vilket eliminerar behovet av en spänningsdelare på utgången. Konstruktionen kräver att man lägger till en minimal kapacitans på utgången för att säkerställa acceptabel rippel och lastreglering på utgången. Den kräver även en kondensator på ingången för att hantera sina krav på ingångsström. De minsta antalet kringkretsar som krävs visas i figur 5.

Figur 5: I en typisk tillämpning kräver μPOL DC/DC-omvandlarfamiljen FS1406, som minst, enbart kondensatorer på in- och utgångar. (Bildkälla: TDK Corporation)

Kondensatorerna på in- och utgångar bör ha ett lågt ekvivalent seriemotstånd. Keramiska kondensatorer med flera lager rekommenderas. Databladet för FS1406 ger detaljerad vägledning för beräkning av kapacitansvärden för både in- och utgångar.

Utvärderingskort hjälper konstruktörer att komma igång

Utvärderingskortet för 1,8 V-modellen av μPOL-omvandlaren är EV1406-1800A som innehåller en konstruktion för en DC/DC-omvandlare med en utgång på 1,8 V och en inspänningskälla på 12 V. Den levererar från 0 till 6 A ström på utgången och har måtten 63 x 84 x 1,5 mm (figur 6).

Figur 6: Utvärderingskortet EV1406-1800A har måtten 63 x 84 x 1,5 mm. μPOL DC/DC-omvandlaren är markerad i gult, vilket ger ett perspektiv på dess lilla storlek. (Bildkälla: TDK Corporation)

µPOL:ens storlek och kraftförsörjningsförmåga gör det möjligt för flera av dessa enheter att enkelt rymmas kring en FPGA eller ASIC. Utvärderingskortet innehåller inte bara ett konstruktionsexempel, utan har även genomgående hål för komponentplacering så att användare kan experimentera med kapacitansvärdena för in- och utgång. Den har även en stiftkontakt för att välja antingen den inbyggda strömförsörjningen i FS1406-1800 eller en extern spänningskälla. En annan stiftkontakt ger enkel tillgång till I²C-gränssnittet.

Dongel för I²C-programmering

TDK erbjuder I²C-programmeringskortet TDK-MICRO-POL-DONGLE som ett konstruktionshjälpmedel, och det används för att variera utgångsspänningen i steg om ±5 mV. Den gör det också möjligt att programmera systemets skyddsparametrar. Dongeln fungerar med ett gratis programpaket med grafiskt användargränssnitt från TDK, vilket gör det enkelt att justera omvandlaren.

Sammanfattning

För konstruktörer som behöver tillförlitlig, högintegrerad strömförsörjning vid belastningspunkten, med minimal påverkan på kretskortutrymmet, är TDK mPOL-serien med 19 DC/DC-omvandlare en lämplig lösning i en mängd olika tillämpningar. Familjen har stöd för fjorton vanliga utspänningar, där respektive spänning kan justeras i steg om ±5 mV med hjälp av en I²C-anslutning. Den unika, patenterade SESUB-baserade konstruktionen av µPOL ger en hög effekttäthet med ett minimalt antal kringkomponenter.