Effiziente Versorgung kritischer Verbraucher mit hochintegrierter Leistung bei minimalem Platzbedarf auf der Platine

Von Art Pini

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Big-Data-Server sowie Anwendungen wie maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz (KI), 5G-Zellen, IoT und Rechenzentren in Unternehmen erfordern häufig leistungsstarke ASICs, FPGAs, GPUs und CPUs, die hohe Ströme bei niedrigen Spannungen und eine hohe Leistungsdichte bei kompakten Abmessungen erfordern. Um die Integrität der Stromversorgung des Gesamtsystems zu gewährleisten, werden verteilte Energieverwaltungssysteme eingesetzt, die DC/DC-Stromquellen direkt an den Lastpunkt (POL), d. h. die Hochleistungsprozessoren, bringen. Es können viele solcher DC/DC-Leistungswandler auf einer einzigen Platine untergebracht werden, so dass das Problem für die Entwickler darin besteht, diese Geräte so klein wie möglich zu machen, um Platz auf der Platine zu sparen. Gleichzeitig müssen sie die Anforderungen an Leistung, Latenzzeit, Wärmeentwicklung, Effizienz und Zuverlässigkeit erfüllen und gleichzeitig den Entwicklungsprozess vereinfachen und die Kosten niedrig halten.

Die Lösung für dieses Problemfeld besteht in der Kombination von Hochleistungshalbleitern und passiven Bauelementen unter Verwendung fortschrittlicher Gehäusetechnologien, um ein höheres Maß an Systemintegration zu erreichen. Es hat sich gezeigt, dass dadurch im Vergleich zu anderen derzeit verfügbaren Technologien eine geringere Größe bei einem niedrigeren Profil erreicht und gleichzeitig das Wärmemanagement verbessert wird. Gleichzeitig werden durch den integrierten Ansatz die Kosten für die Implementierung, einschließlich der Lagerverwaltung und der Entwicklungszeit, in Grenzen gehalten.

Dieser Artikel befasst sich mit der Notwendigkeit verteilter Stromnetze und der Rolle der POL-Stromversorgungskomponenten. Anschließend wird eine Klasse von DC/DC-Lastpunktwandlern der TDK Corporation vorgestellt, die mit hochentwickelten Gehäusetechniken die erforderlichen Leistungsmerkmale erreichen. In diesem Artikel werden auch ihre wichtigsten Eigenschaften erörtert und es wird aufgezeigt, wie Entwickler sie einsetzen können, um ihre POL-Leistungsanforderungen erfolgreich zu erfüllen.

Gründe für die Verwendung von DC/DC-Lastpunktwandlern

In Computern, Servern und anderen digitalen Geräten werden in zunehmendem Maße FPGAs, ASICs und andere moderne IC-Bausteine verwendet, die mehrere Versorgungsspannungen benötigen, die über die Systemstromversorgung nicht verfügbar sind. Außerdem benötigen sie diese Spannungen in der richtigen Reihenfolge mit minimaler Latenzzeit. Systemnetzteile bieten im Allgemeinen eine Reihe fester Spannungen wie 1, 3,3 und 5 Volt. Ein typisches FPGA benötigt Spannungen im Bereich von 1,2 bis 2,5 Volt (Abbildung 1).

Diagramm: Ein FPGA erfordert mehrere Spannungen für bestimmte Funktionen (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 1: Ein typisches FPGA benötigt mehrere Spannungen für bestimmte Funktionen innerhalb des Prozessors. Der gezeigte Prozessor verwendet acht dedizierte Stromeingänge, die drei verschiedene Spannungen nutzen. (Bildquelle: Art Pini)

Ein FPGA benötigt mindestens getrennte Versorgungen für seinen Kern und seine I/O-Abschnitte. Das FPGA im Beispiel läuft mit 1,2 Volt für den Kern und 2,5 Volt für die I/O-Funktionen. Darüber hinaus benötigt es sechs weitere Leistungsstufen für seine Hilfsstromkreise. Es liegt auf der Hand, dass sieben Stromquellen in unmittelbarer Nähe des FPGAs eine Belastung für das Platinenlayout darstellen. Auch die Frage der Wärmeableitung ist zu berücksichtigen, weshalb die Stromquellen klein und effizient sein müssen.

Patentierte Technologie ermöglicht eine einzigartige Systemintegration

Um den Größenanforderungen gerecht zu werden, hat TDK ein eigenes Design für DC/DC-Lastpunktwandler entwickelt, bei dem auf ein nebeneinander liegendes Layout diskreter Komponenten verzichtet wird. Stattdessen nutzt es die 3D-Integration auf der Grundlage seiner SiP-Technologie (System-in-Package) „Semiconductor Embedded in SUBstrate“ (SESUB). Leistungsstarke Halbleiter mit einem PWM-Controller (Pulsweitenmodulation) und MOSFETs sind in das 250 Mikrometer (µm) große Leiterplattensubstrat eingebettet und bilden einen Abwärtswandler (Buck). Die Ausgangsinduktivität und die Kondensatoren der Schaltung sind ebenfalls in das 3D-Layout integriert, wodurch ein ultrakompaktes, thermisch verbessertes Gehäuse entsteht (Abbildung 2).

Diagramm: Die patentierte SESUB-Technologie integriert einen fortschrittlichen Leistungsregler-IC und MOSFETsAbbildung 2: Die patentierte SESUB-Technologie integriert einen hochentwickelten Leistungsregler-IC und MOSFETs auf einem 250μm-Substrat, zusammen mit der Ausgangsinduktivität und den Kondensatoren der Schaltung, um ein hochintegriertes DC/DC-Wandlermodul zu bilden. (Bildquelle: TDK Corporation)

Eine einzigartige POL-Stromversorgungslösung

TDK nutzt SESUB als Grundlage für seine μPOL-Reihe (ausgesprochen „Mikro-POL“) aus Miniatur-DC/DC-Leistungsmodulen. Die als Modelle FS140x-xxxx-xx bezeichnete Produktfamilie ist in 19 Varianten mit Ausgangsspannungen von 5, 3,3, 2,5, 1,8, 1,5, 1,2, 1,1, 1,05, 1, 0,9, 0,8, 0,75, 0,7 und 0,6 Volt erhältlich. Sie unterstützen je nach Modell Dauerlastströme von 3 bis 6 Ampere (A) und sind in einem Gehäuse von 3,3 x 3,3 x 1,5 Millimeter (mm) untergebracht (Abbildung 3).

Bild des μPOL-DC/DC-Wandlers der TDK CorporationAbbildung 3: Der μPOL-DC/DC-Wandler ist nur 3,3 x 3,3 x 1,5 mm groß, kann aber bis zu 15 Watt handhaben. (Bildquelle: TDK Corporation)

Aufgrund ihres einzigartigen physikalischen Designs kann diese DC/DC-Wandlerfamilie eine Leistungsdichte von bis zu 1 Watt pro mm3 liefern, wodurch dieses kleine Gehäuse bis zu 15 Watt handhaben kann.

Die Nennausgangsspannungen sind werkseitig auf ±0,5 % eingestellt. Eine I²C-Schnittstelle ermöglicht die lokale Steuerung des Wandlers. Die Ausgangsspannungen können in Schritten von ±5 Millivolt (mV) um die voreingestellte Nennspannung getrimmt werden.

Ein Blick in den μPOL-Konverter FS1406

Das funktionale Blockdiagramm des 1,8-Volt-DC/DC-Wandlers FS1406-1800-AL zeigt, dass der Baustein trotz seiner geringen Größe eine Menge ausgefeilter Schaltkreisfunktionen enthält (Abbildung 4).

Funktionsblockdiagramm des DC/DC-Wandlers FS1406-1800-AL der TDK Corporation (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 4: Das funktionale Blockdiagramm des DC/DC-Wandlers FS1406-1800-AL zeigt die Komplexität der Schaltung, einschließlich der internen PWM, des I²C-Ports, der Steuerlogik und der Ausgangs-MOSFETs. (Bildquelle: TDK Corporation)

Der FS1406-1800-AL hat einen Nennausgang von 1,8 Volt und eine Dauerlastfähigkeit von 6 A. Seine Ausgangsspannung ist I²C-programmierbar von 0,6 bis 2,5 Volt. Er benötigt eine Eingangsspannung von 4,5 bis 16 Volt und hat einen spezifizierten Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +125°C.

Das Herzstück dieses DC/DC-Wandlers ist der proprietäre PWM-Modulator, der für ein schnelles Einschwingverhalten sorgt. Der PWM-Modulator arbeitet mit einer Schaltfrequenz, die proportional zur Ausgangsspannung des Wandlers ist. Er verfügt über eine interne Stabilitätskompensation, die ihn an eine Vielzahl von Ausgangskondensatortypen anpasst, ohne dass externe Kompensationsnetzwerke erforderlich sind. Damit ist er praktisch „Plug&Play“-fähig. Der PWM-Ausgang des Modulators steuert die Gate-Schaltung für die MOSFET-Leistungsbauteile. Die Ausgangsfilterinduktivität ist, wie bereits erwähnt, im Gehäuse enthalten, was die Anzahl der externen Komponenten weiter reduziert.

Beachten Sie, dass der FS1406 einen internen Spannungsregler mit niedrigem Spannungseinbruch (LDO) enthält, der mit einer Spannung von etwa 5,2 Volt arbeitet, um die internen Schaltungen und die MOSFETs zu versorgen.

Außerdem sollten Entwickler die eingebauten Schutzfunktionen beachten, zu denen ein Sanftanlaufschutz, eine „Power Good“-Statusleitung, ein Überspannungsschutz, ein vorgespannter Anlauf, eine thermische Abschaltung mit automatischer Wiederherstellung und ein thermisch kompensierter Überstromschutz mit Hiccup-Modus gehören. Der Hiccup-Modus schaltet die Stromversorgung für einen bestimmten Zeitraum ab, wenn ein Überstromereignis erkannt wird, und wiederholt die Sequenz, bis der Fehler behoben ist.

Die I²C-Schnittstelle wird zur Einstellung der Ausgangsspannung verwendet. Sie ermöglicht auch die Einstellung der Parameter für die Systemoptimierung, einschließlich der Parameter für die Start- und Schutzfunktionen.

Typische Anwendung

Die FS1406-Familie ist vollständig integriert und wird im Werk auf die spezifizierte Zielspannung getrimmt, so dass kein Ausgangsspannungsteiler erforderlich ist. Das Design erfordert das Hinzufügen einer minimalen Ausgangskapazität, um eine akzeptable Ausgangswelligkeit und Lastregelung zu gewährleisten. Außerdem ist ein Eingangskondensator erforderlich, um den erforderlichen Eingangsstrom zu bewältigen. Die minimal erforderlichen Schaltungskomponenten sind in Abbildung 5 dargestellt.

Bild: μPOL-DC/DC-Wandler FS1406 der TDK CorporationAbbildung 5: In einer typischen Anwendung erfordert der μPOL-DC/DC-Wandler FS1406 nur das Hinzufügen der Eingangs- und Ausgangskondensatoren. (Bildquelle: TDK Corporation)

Die Eingangs- und Ausgangskondensatoren sollten einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand haben. Empfohlen werden Mehrschicht-Keramikkondensatoren. Das Datenblatt des FS1406 enthält eine detaillierte Anleitung zur Berechnung der Eingangs- und Ausgangskapazitätswerte.

Evaluierungsboards helfen Entwicklern bei ihren ersten Schritten

Das Evaluierungsboard für die 1,8-Volt-Version des μPOL-Wandlers ist das EV1406-1800A, das ein Design für einen DC/DC-Wandler mit einem 1,8-Volt-Ausgang und einer 12-Volt-Eingangsquelle bietet. Es liefert einen Ausgangsstrom von 0 bis 6 A und misst 63 x 84 x 1,5 mm (Abbildung 6).

Abbildung des Evaluierungsboards EV1406-1800A der TDK CorporationAbbildung 6: Das Evaluierungsboard EV1406-1800A misst 63 x 84 x 1,5 mm; der μPOL-DC/DC-Wandler ist gelb hervorgehoben, um seine geringe Größe zu verdeutlichen. (Bildquelle: TDK Corporation)

Dank der Größe und der Stromversorgungsfähigkeit des µPOL können mehrere dieser Komponenten problemlos in einem FPGA oder ASIC untergebracht werden. Das Evaluierungsboard bietet nicht nur ein Designbeispiel, sondern verfügt auch über offene, durchkontaktierbare Bauteilpositionen, damit der Benutzer mit den Eingangs- und Ausgangskapazitätswerten experimentieren kann. Außerdem verfügt es über eine Stiftleiste, über die entweder die interne Vorspannungsversorgung des FS1406-1800 oder eine externe Spannungsquelle ausgewählt werden kann. Eine weitere Stiftleiste ermöglicht den einfachen Zugriff auf die I²C-Schnittstelle.

Der I²C-Programmier-Dongle

Als Designhilfe bietet TDK das I²C-Programmierboard TDK-MICRO-POL-DONGLE an, mit dem die Ausgangsspannung in ±5 mV-Schritten variiert werden kann. Es ermöglicht auch die Programmierung der Systemschutzparameter. Der Dongle arbeitet mit einem kostenlosen, von TDK bereitgestellten GUI-Softwarepaket, das die Einstellung des Wandlers erleichtert.

Fazit

Für Entwickler, die eine zuverlässige, hochintegrierte POL-Stromversorgung mit minimalem Platzbedarf auf der Platine benötigen, bieten die 19 DC/DC-Wandler der μPOL-Serie von TDK eine geeignete Lösung für eine Vielzahl von Anwendungen. Die Familie unterstützt vierzehn gängige Ausgangsspannungspegel, wobei jeder in ±5 mV-Schritten über einen I²C-Anschluss einstellbar ist. Die einzigartige, patentierte Konstruktion des µPOL auf SESUB-Basis bietet eine hohe Leistungsdichte und erfordert nur ein Minimum an externen Komponenten.

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Über den Autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini ist ein aktiver Autor bei Digi-Key Electronics. Seine Abschlüsse umfassen einen Bachelor of Electrical Engineering vom City College of New York und einen Master of Electrical Engineering von der City University of New York. Er verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Elektronikbranche und war in leitenden Positionen in den Bereichen Technik und Marketing bei Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek und Nicolet Scientific tätig. Er hat Interesse an der Messtechnik und umfangreiche Erfahrung mit Oszilloskopen, Spektrumanalysatoren, Generatoren für beliebige Wellenformen, Digitalisierern und Leistungsmessern.

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