Använd inbyggda step-down DC/DC-moduler för effektiv effektomvandling med hög täthet och låg EMI

När nivån på integrationen och spridningen av elektroniska enheter ökar, är konstruktörer ständigt pressade att förbättra effektiviteten samtidigt som de sänker kostnaderna, storleken och de elektromagnetiska störningarna (EMI). Även om strömförsörjningar har fått bättre effekttäthet och effektivitet, står konstruktörerna nu även inför utmaningen att utveckla strömförsörjningslösningar med flera matningar för heterogena bearbetningsarkitekturer som kan innehålla en blandning av ASIC, DSP, FPGA och mikrokontroller.

Step-down DC/DC-omvandlare används traditionellt för att driva sådana arkitekturer, men med ett växande antal strömmatningar kan användningen av traditionella diskreta, step-down DC/DC-omvandlare med en integrerad styrkrets och interna eller externa effekt-MOSFET:ar - samt externa induktorer och kondensatorer - vara komplicerade och tidskrävande. Konstruktörer kan istället använda fristående step-down DC/DC-omvandlarmoduler med flera matningar och programmerbar sekvensering som hanterar EMI bättre, genererar mindre värme och har ett mindre format.

Artikeln granskar kraftsystemet för inbäddade konstruktioner och diskuterar olika tillvägagångssätt samt vad konstruktörer behöver överväga, innan de introducerar konceptet med fristående step-down DC/DC-moduler. Den använder sedan en exempelenhet från Monolithic Power Systems för att helt kort granska vad konstruktörer behöver överväga gällande konstruktion och layout för att maximera prestandafördelarna med dessa moduler.

Skälet till att inbäddade system behöver många strömmatningar

Inbäddade konstruktioner som t.ex. basstationer för 5G är avsedda att stödja ständigt ökande krav på datamängder från smartphones och smarta anslutna enheter i tillämpningar såsom automatisering inom hem och industri, självkörande fordon, hälsovård och smarta bärbara apparater. Sådana basstationer använder vanligtvis en strömförsörjning på 48 V som transformeras ner av en DC/DC-omvandlare till 24 V eller 12 V, och sedan omvandlas detta ytterligare till de många matningar som sträcker sig från 3,3 volt till mindre än 1 volt för att driva ASIC, FPGA , DSP och andra enheter i basbandets bearbetningssteg. Strömmatningarna behöver ofta sekvenseras för tillslag och avstängning, vilket ytterligare ökar systemets komplexitet för konstruktörerna.

I exemplet med basstationer för 5G kan den traditionella processorn i sig inte längre uppfylla bearbetningskraven. Det finns dock fördelar med att använda ett acceleratorkort med en FPGA för systemkonfiguration, flexibilitet, kort utvecklingscykel, högre parallell beräkning och låg latens. Men utrymmet som är tillgängligt för FPGA-strömförsörjningen krymper, och prestandakraven på strömmatningarna är komplicerade (figur 1):

• Förskjutning av utgångsspänning: utspänningens avvikelse för spänningsmatningen måste vara mindre än +- 3% och tillräcklig marginal bör finnas kvar i konstruktionen. Genom att optimera kontrollslingan för att öka bandbredden och säkerställa dess stabilitet bör avkopplingskondensatorn tillämpas och utformas noggrant.
• Monoton start: Starten på alla spänningsmatningar måste stiga monotont, och konstruktionen bör förhindra att utspänningen återgår till sitt startvärde.
• Rippel på utspänningen: Vid drift i stabilt läge måste rippeln på utspänningen för alla spänningsmatningar (förutom den analoga spänningsmatningen) vara högst 10 millivolt (mV).
• Timing: FPGA:er måste uppfylla specifika tidskrav vid start och avstängning.

Figur 1: På grund av ökande beräkningskrav har processorns storlek på acceleratorkort ökat, vilket lämnar lite utrymme kvar för strömförsörjningen. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Processorerna kräver mer ström och effekt när kraven på databehandlingens bandbredd ökar. Beräkningstätheten och hastighetskraven för decimalberäkning på acceleratorkort blir också svårare för industrin att uppfylla. Acceleratorns kortplats är vanligtvis standard PCIe, så storleken på kortet är fast. På grund av ökande beräkningskrav har processorns storlek ökat, vilket lämnar lite utrymme kvar för strömförsörjningen.

Alternativ för design av kraftsystem

Användningen av traditionella diskreta step-down DC/DC-omvandlare med en styrkrets och interna eller externa effekt-MOSFET:ar, samt externa induktorer och kondensatorer, är en metod för inbyggd systemkraft. Som diskuterats ovan är det en komplicerad och tidskrävande process för konstruktörer när strömförsörjningslösningar med flera matningar krävs. Förutom överväganden kring maximering av effektivitet och storlek, måste konstruktörerna vara försiktiga med filterkomponenternas layout och placering för att minimera överförd och utstrålad EMI orsakad av växelströmmar i omvandlare och induktorkretsar (figur 2).

Figur 2: Diskreta step-down DC/DC-omvandlare har flera EMI-källor som konstruktörer måste hantera. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

DC/DC-omvandlare genererar typiskt överförd EMI via magnetfält från strömslingans kretskortsbana som bildas mellan växlingsnoden i effekt-MOSFET:arna och jord, och mellan ingångskondensatorn och jord. De genererar även EMI som utstrålade elektriska fält från MOSFET-växlingsnoden till induktorns anslutning, som har en hög dV/dt eftersom den ständigt växlar från den höga ingångsspänningsnivån till jord och från de elektromagnetiska fält som genereras i induktorn. Om konstruktionen inte blir rätt leder det ofta till tidskrävande omtestningar i EMI-labb och flera konstruktionsomgångar.

En lösning med fyra matningar för att driva en ASIC eller FPGA med diskreta step-down DC/DC-omvandlare kan uppta 1220 kvadratmillimeter (mm² (figur 3). Det kan reduceras till cirka 350 mm² vid användning av en kretsbaserad lösning för strömhantering (PMIC). Som alternativ, kan konstruktören använda en fristående DC/DC-omvandlingsmodul med fyra utgångar för att minska lösningsstorleken till endast 121 mm², samtidigt som konstruktionsprocessen förenklas och ger en snabbare tid till marknaden. Framsteg inom processtekniken för halvledare och konstruktion av kapslingar innebär att de senaste generationerna av DC/DC-moduler uppnår en mycket hög effekttäthet, hög effektivitet och god EMI-prestanda i ett litet format.

Figur 3: Användning av en lösning med en inbyggd DC/DC-modul kan spara upp till 90 % av kortutrymmet jämfört med en diskret lösning. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Nya konstruktionstekniker, såsom flip-chip och "mesh-connect", innebär att kretsens induktor och passiva komponenter kan monteras direkt på stiftramen utan trådbindning eller ytterligare ett internt kretskort (figur 4 ). Jämfört med äldre konstruktionsmetoder som använder ett internt kretskortssubstrat eller trådbindning, kan anslutningarnas spårlängder minimeras och en direkt anslutning till de passiva komponenterna gör induktansen låg för att minimera EMI.

Figur 4: En ny konstruktionsform som använder stiftramen för sammankopplingar har ett antal fördelar: Bättre kontroll av EMI, bättre värmeavledning och mindre format. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Användningen av en LGA-kapsling som ytmonteras direkt på målets kretskort ger en lägre EMI-profil än alternativa omvandlare i SIL- eller SIP-kapslingar med stift som kan stråla ut EMI .

Programmerbara integrerade DC/DC-moduler med fyra utgångar

För att tillgodose behoven av hög effekttäthet och flera matningar, kan konstruktörer använda MPM54304 från Monolithic Power Systems (figur 5). MPM54304 är en komplett strömhanteringsmodul som integrerar fyra högeffektiva, step-down DC/DC-omvandlare, induktorer och ett flexibelt logiskt gränssnitt. MPM54304 arbetar med ett inspänningsområde 4 V till 16 V och har stöd för ett utspänningsområde på 0,55 till 7 V. De fyra utspänningarna har stöd för strömmar på upp till 3 A, 3 A, 2 A och 2 A. De två 3 A-matningarna och de två 2 A-matningarna kan parallellkopplas för ge 6 respektive 4 A. Konstruktörer bör notera att den maximala utströmmen i parallkopplat läge även är begränsat av den totala effektförlusten. Detta ger flexibiliteten att skapa flera utgångskonfigurationer (med förbehåll för de totala begränsningarna för energiförlust):

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

Bild 5: MPM54304 är en komplett step-down strömhanteringsmodul med inspänning på 4 till 16 V och fyra utgångar. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

MPM54304 tillhandahåller också intern sekvensering för start och avstängning. Konfigurationen och sekvenseringen för matningarna kan förprogrammeras med den (MTP) e-säkringen som kan programmeras om flera gånger, eller via I²C-bussen.

Denna styrning av DC/DC-omvandlaren med fast frekvens och konstant-på-tid (COT) ger ett snabbt svar på transientspänningar. Standardfrekvensen för switchning på 1,5 MHz minskar storleken på den externa kondensatorn. Switchklockan är låst och fasförskjuten från buck 1 till buck 4 i kontinuerligt strömläge (CCM). Utspänningen är justerbar genom I²C-bussen eller förinställningsbar med MTP e-säkringen.

Fullständiga skyddsfunktioner inkluderar utlåsning vid underspänning (UVLO), överströmsskydd (OCP) och termisk avstängning. MPM54304 kräver ett minimalt antal externa komponenter och finns i en utrymmesbesparande LGA-kapsling (7 x 7 x 2 mm) (figur 6). LGA-kapslingens låga profil gör den lämplig för placering på baksidan av kretskortet eller under en kylfläns.

Figur 6: MPM54304 LGA-kapsling ger en kompakt lösning med låg profil och lågt EMI (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Faktorer att tänka på vid konstruktion och layout

MPM54304 har en enkel stiftlayout längs kanten, vilket gör layout och kretskortsdesign enklare. Då endast fem externa komponenter behövs är den totala lösningen liten och kompakt. LGA-kapslingen gör det möjligt för ett fast jordplan att täcka större delen av området under modulen, vilket gör det lättare att stänga virvelströmslingor och ytterligare minska EMI.

Step-down omvandlaren har en diskontinuerlig ingångsström och kräver en kondensator för att mata växelström till omvandlaren samtidigt som DC-inspänningen bibehålls. Konstruktörer bör använda ESR-kondensatorer för bästa prestanda. Keramiska kondensatorer med dielektrikum X5R eller X7R rekommenderas på grund av dess låga ESR och låga temperaturkoefficienter. För de flesta tillämpningar räcker kondensatorer på 22 mikrofarad (µF).

En effektiv kretskortslayout är avgörande för stabil drift av MPM54304. Ett kretskort med fyra lager rekommenderas för att uppnå bättre termisk prestanda (figur 7). För bästa resultat bör konstruktörerna använda följande riktlinjer:

• Håll strömslingan så liten som möjligt
• Använd ett stort jordplan som ansluts direkt till PGND. Om det undre lagret är ett jordplan, behöver genomgående hål läggas till i närheten av PGND.
• Se till att banorna för höga strömmar vid GND och VIN har korta, direkta och breda banor
• Placera den keramiska ingångskondensatorn så nära enheten som möjligt
• Håll ingångskondensatorn och IN så kort och bred som möjligt
• Placera VCC-kondensatorn så nära VCC- och GND-stiften som möjligt
• Anslut VIN, VOUT och GND till ett stort kopparområde för att förbättra den termiska prestandan och den långsiktiga tillförlitligheten
• Separera GND-området för ingången från andra GND-områden i det övre lagret och anslut dem tillsammans på de interna lagren och det undre lagret genom flera genomgående hål
• Kontrollera att det finns ett inbyggt GND-område på det inre lagret eller det undre lagret
• Använd flera genomgående hål för att ansluta strömlagren till de interna lagren

Figur 7: En kretskortslayout med fyra lager rekommenderas när du använder strömmodulen MPM54304 med fyra utgångar. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Slutsats

I takt med att bearbetningsarkitekturer utvecklas för att ta itu med mycket krävande datatillämpningar, ställs konstruktörerna inför utmaningen att utveckla strömförsörjningslösningar med flera matningar som kan stödja ökad processorkraft och elektronik i format som antingen är statiska eller krympande. Step-down DC/DC-omvandlare är viktiga komponenter vid konstruktionen av strömförsörjningslösningar för dessa system men de kan vara komplicerade att implementera.

Som visat kan konstruktörer använda sig av fristående moduler för step-down DC/DC-omvandling med flera strömmatningar och programmerbar sekvensering, vilket förenklar konstruktionsprocessen och påskyndar tiden till marknaden. De nya konstruktionsteknikerna gör det dessutom möjligt för dessa fristående moduler att ha ett antal prestandafördelar: bättre kontroll av EMI, bättre värmeavledning och ett mindre format.

Rekommenderad läsning

1. Använd programmerbara effektmoduler för att skynda på konstruktionen av DC/DC-regulatorer