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Verwendung integrierter abwärtswandelnder DC/DC-Module für die hochkompakte, effiziente Leistungsumwandlung mit niedriger EMI

Von Jeff Shepard

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Da der Grad der Integration und Verbreitung elektronischer Geräte zunimmt, stehen die Entwickler ständig unter dem Druck, die Effizienz zu verbessern und gleichzeitig die Kosten, die Größe und die elektromagnetische Interferenz (EMI) zu senken. Während Stromversorgungen in Bezug auf Leistungsdichte und Effizienz verbessert wurden, stehen die Entwickler nun auch vor der Herausforderung, Mehrschienen-Stromversorgungslösungen für heterogene Verarbeitungsarchitekturen zu entwickeln, die eine Mischung aus ASICs, DSPs, FPGAs und Mikrocontrollern enthalten können.

DC/DC-Abwärtswandler werden traditionell zur Versorgung solcher Architekturen verwendet, aber bei einer wachsenden Zahl von Stromschienen kann die Verwendung traditioneller diskreter DC/DC-Abwärtswandler mit einem Steuer-IC und internen oder externen Leistungs-MOSFETs - sowie externen Induktivitäten und Kondensatoren - komplex und zeitaufwändig sein. Stattdessen können Entwickler in sich geschlossene DC/DC-Abwärtswandlermodule mit mehreren Schienen und programmierbarer Sequenzierung verwenden, die die EMI besser kontrollieren können, weniger Wärme erzeugen und einen geringeren Platzbedarf haben.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Anforderungen an das Stromversorgungssystem von eingebetteten Designs und diskutiert verschiedene Ansätze und was Entwickler berücksichtigen müssen, bevor das Konzept der in sich geschlossenen DC/DC-Abwärtswandlermodule vorgestellt wird. Anschließend werden anhand eines Musterbausteins von Monolithic Power Systems kurz die Design- und Layout-Überlegungen diskutiert, die Entwickler beachten müssen, um die Leistungsvorteile dieser Module zu maximieren.

Warum eingebettete Systeme viele Stromschienen benötigen

Eingebettete Designs wie 5G-Basisstationen sollen die ständig steigenden Anforderungen an das Datenvolumen von Smartphones und intelligenten vernetzten Geräten in Anwendungen wie Heim- und Industrieautomation, autonome Fahrzeuge, Gesundheitswesen und intelligente Wearables unterstützen. Solche Basisstationen verwenden in der Regel eine 48-Volt-Eingangsversorgung, die durch DC/DC-Wandler auf 24 Volt oder 12 Volt heruntergeregelt und dann weiter auf die vielen Teilschienen im Bereich von 3,3 Volt bis unter 1 Volt heruntergeregelt wird, um ASICs, FPGAs, DSPs und andere Bausteine in den Basisband-Verarbeitungsstufen zu versorgen. Häufig müssen die Stromschienen für das Hoch- und Herunterfahren sequenziert werden, was die Komplexität der Stromversorgungssysteme für die Entwickler weiter erhöht.

Im Beispiel von 5G-Basisstationen kann die herkömmliche CPU allein die Verarbeitungsanforderungen nicht mehr erfüllen. Die Verwendung einer Beschleunigerkarte mit einem FPGA hat Vorteile hinsichtlich der Rekonfigurierbarkeit des Systems, der Flexibilität, des kurzen Entwicklungszyklus, der hochparallelen Rechenleistung und der geringen Latenzzeit. Aber der für die FPGA-Stromversorgung verfügbare Platz schrumpft, und die Leistungsanforderungen an die Stromschiene sind kompliziert (Abbildung 1):

  • Ausgangsspannungs-Offset: Die Ausgangsspannungsabweichung der Spannungsschiene muss weniger als ±3% betragen, und es sollte ein ausreichender Spielraum im Design belassen werden. Durch Optimierung der Regelschleife zur Erhöhung der Bandbreite und zur Gewährleistung ihrer Stabilität sollte der Entkopplungskondensator sorgfältig eingesetzt und ausgelegt werden.
  • Monotoner Start: Der Spannungsanstieg auf allen Schienen muss monoton sein, und das Design sollte verhindern, dass die Ausgangsspannung wieder auf ihren Anfangswert zurückkehrt.
  • Welligkeit der Ausgangsspannung: Im stationären Betrieb darf die Welligkeit der Ausgangsspannung aller Spannungsschienen (außer der analogen Spannungsschiene) höchstens 10 Millivolt (mV) betragen.
  • Timing: FPGAs müssen während des Hoch- und Herunterfahrens bestimmte Timing-Anforderungen erfüllen.

Grafik der Prozessorgröße auf BeschleunigerkartenAbbildung 1: Aufgrund steigender Rechenanforderungen hat die Größe des Prozessors auf Beschleunigerkarten zugenommen, so dass wenig Platz für die Stromversorgung bleibt. (Bildquelle: Monolithic Power Systems)

Prozessoren benötigen mehr Strom und Leistung, da die Anforderungen an die Bandbreite für die Datenverarbeitung immer anspruchsvoller werden. Auch die Anforderungen an die Berechnungsdichte und Fließkomma-Geschwindigkeit für Beschleunigerkarten werden für die Industrie immer schwieriger zu erfüllen. Der Steckplatz für Beschleunigerkarten ist in der Regel PCIe-standardisiert, so dass die Größe der Karte festgelegt ist. Aufgrund der steigenden Rechenanforderungen ist die Größe des Prozessors gewachsen, so dass nur noch wenig Platz für die Stromversorgung bleibt.

Alternativen zum Entwurf von Stromversorgungssystemen

Die Verwendung traditioneller diskreter DC/DC-Abwärtswandler mit einem Steuer-IC und internen oder externen Leistungs-MOSFETs sowie externen Induktivitäten und Kondensatoren ist ein Ansatz für die Stromversorgung eingebetteter Systeme. Wie oben erörtert, ist es für Entwickler ein komplexer und zeitaufwändiger Prozess, wenn Stromversorgungen mit mehreren Schienen benötigt werden. Zusätzlich zu den Überlegungen zur Maximierung des Wirkungsgrads und Minimierung der Größe müssen die Entwickler bei der Anordnung und Platzierung von Filterkomponenten vorsichtig sein, um leitungsgeführte und abgestrahlte EMI zu minimieren, die durch Schaltströme in den Wandler- und Induktorschaltungen verursacht werden (Abbildung 2).

Diagramm zu diskreten DC/DC-AbwärtswandlernAbbildung 2: Diskrete DC/DC-Abwärtswandler haben mehrere EMI-Quellen, die von den Entwickler verwaltet werden müssen. (Bildquelle: Monolithic Power Systems)

DC/DC-Wandler erzeugen typischerweise leitungsgebundene EMI über Magnetfelder aus dem Stromschleifenpfad, der zwischen dem Ausgangsleistungs-MOSFET-Schaltknoten gegen Masse und dem Eingangskondensator gegen Masse gebildet wird. Sie erzeugen zudem EMI durch das abgestrahlte elektrische Feld vom MOSFET-Schaltknoten zum Induktoranschluss, der einen hohen dV/dt aufweist, da er kontinuierlich vom hohen Eingangsspannungsniveau auf Masse schaltet, und von den innerhalb des Induktors erzeugten elektromagnetischen Feldern. Gelingt es nicht, das Design richtig zu gestalten, kommt es häufig zu wiederholten zeitaufwändigen EMI-Labortests und Änderungen an den Schaltungen.

Eine Vier-Schienen-Lösung für die Stromversorgung eines ASICs oder FPGAs mit diskreten DC/DC-Abwärtswandlern kann 1220 Quadratmillimeter (mm2) einnehmen (Abbildung 3). Das kann mit einer auf Energiemanagement-ICs (PMIC) basierenden Lösung auf etwa 350 mm2 reduziert werden. Als Alternative können Entwickler ein in sich geschlossenes DC/DC-Wandlermodul mit vier Ausgängen verwenden, um die Größe der Lösung auf nur 121 mm2 zu reduzieren und gleichzeitig den Designprozess zu vereinfachen und die Markteinführung zu beschleunigen. Fortschritte in der Halbleiterprozesstechnologie und der Gehäusekonstruktion bedeuten, dass die neuesten Generationen von DC/DC-Modulen eine sehr hohe Leistungsdichte, einen hohen Wirkungsgrad und eine gute EMI-Leistung in einem kleinen Formfaktor erreichen.

Schema der integrierten DC/DC-Modullösung (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 3: Der Einsatz einer integrierten DC/DC-Modullösung kann im Vergleich zu einer diskreten Lösung bis zu 90 % der Platinenfläche einsparen. (Bildquelle: Monolithic Power Systems)

Neue Konstruktionstechniken wie In-Package-Flip-Chip- und „Mesh-Connect“-Leiterrahmen-Technologie bedeuten, dass IC, Induktivität und passive Bauelemente ohne Drahtbonden oder eine zusätzliche interne Leiterplatte direkt auf den Leiterrahmen (Lead Frame) montiert werden können (Abbildung 4). Im Vergleich zu älteren Bauformen, die ein internes Leiterplattensubstrat oder Drahtbonden verwenden, können die Leiterbahnlängen minimiert werden, und die direkte Verbindung zu passiven Komponenten hält die Induktivität niedrig, um die EMI zu minimieren.

Diagramm zur Verwendung eines Leiterrahmens für VerbindungenAbbildung 4: Eine neue Form der Konstruktion, bei der ein Leiterrahmen für Verbindungen verwendet wird, hat eine Reihe von Vorteilen: Die EMI wird besser kontrolliert, die Wärmeableitung wird verbessert, und die Grundfläche wird verkleinert. (Bildquelle: Monolithic Power Systems)

Die Verwendung eines LGA-Gehäuseformats (LGA: Land Grid Array), das direkt auf die Zielleiterplatte montiert wird, bietet ein niedrigeres EMI-Profil als alternative SIL- (SIL: Single-in-Line) oder SIP-Wandler (SIP: SIL-Package) mit Leitungen, die EMI abstrahlen können.

Programmierbare integrierte DC/DC-Module mit vier Ausgängen

Um die Anforderungen von eingebetteten Systemen mit mehreren Schienen und hoher Leistungsdichte zu erfüllen, können sich Entwickler an den MPM54304 von Monolithic Power Systems wenden (Abbildung 5). Das MPM54304 ist ein komplettes Energiemanagement-Modul, das vier hocheffiziente DC/DC-Abwärtswandler, Induktivitäten und eine flexible Logikschnittstelle integriert. Der MPM54304 arbeitet in einem Eingangsspannungsbereich von 4 bis 16 Volt und unterstützt einen Ausgangsspannungsbereich von 0,55 bis 7 Volt. Die vier Ausgangsschienen können Ströme von bis zu 3 Ampere (A), 3 A, 2 A und 2 A aufnehmen. Die beiden 3A-Schienen und die beiden 2A-Schienen können parallel geschaltet werden, um 6 A bzw. 4 A zu liefern. Entwickler sollten beachten, dass der maximale Ausgangsstrom im Parallelbetrieb auch durch die Gesamtverlustleistung begrenzt ist. Dies bietet die Flexibilität, mehrere Ausgangskonfigurationen zu erzeugen (vorbehaltlich der Beschränkungen der Gesamtverlustleistung):

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

Diagramm: Vollständiges abwärtswandelndes Energiemanagement-Modul MPM54304 von Monolithic Power SystemsAbbildung 5: Das MPM54304 ist ein vollständiges 4-Volt- bis 16-Volt-Eingangsmodul mit vier Ausgängen und abwärtswandelnder Leistungsregelung. (Bildquelle: Monolithic Power Systems)

Der MPM54304 bietet außerdem eine interne Sequenzierung für das Hoch- und Herunterfahren. Die Schienenkonfigurationen und die Sequenzierung können über die mehrfach programmierbare (MTP) E-Sicherung oder über den I2C-Bus vorprogrammiert werden.

Dieser immer aktive (COT) DC/DC-Wandler mit fester Frequenz bietet ein schnelles Einschwingverhalten. Seine Standardschaltfrequenz von 1,5 MHz reduziert die Größe des externen Kondensators erheblich. Der Schalttakt ist festgelegt und während des Dauerstrombetriebs (CCM) von Abwärtswandler 1 zu Abwärtswandler 4 phasenverschoben. Die Ausgangsspannung ist über den I2C-Bus einstellbar oder durch die MTP-E-Sicherung voreingestellt.

Zu den Schutzfunktionen gehören die Unterspannungssperre (UVLO), der Überstromschutz (OCP) und die thermische Abschaltung. Der MPM54304 erfordert eine minimale Anzahl externer Komponenten und ist in einem platzsparenden LGA-Gehäuse (7 mm x 7 mm x 2 mm) erhältlich (Abbildung 6). Das niedrige Profil des LGA eignet sich für die Platzierung auf der Rückseite der Platine oder unter einem Kühlkörper.

Bild des Energiemanagement-Moduls MPM54304 von Monolithic Power SystemsAbbildung 6: Das LGA-Gehäuse des MPM54304 bietet eine kompakte und flache Lösung mit geringer EMI (Bildquelle: Monolithic Power Systems)

Überlegungen zu Design und Layout

Der MPM54304 bietet eine einfache Pinbelegung am Rand, was das Layout und das Leiterplattendesign erleichtert. Mit nur fünf externen Komponenten ist die Gesamtlösung klein und kompakt. Das LGA-Gehäuse ermöglicht es, dass eine solide Massefläche den größten Teil der Fläche unter dem Modul abdeckt, was dazu beiträgt, Wirbelstromschleifen zu schließen und die EMI weiter zu reduzieren.

Dieser Abwärtswandler hat einen diskontinuierlichen Eingangsstrom und benötigt einen Kondensator, um den Wandler mit Wechselstrom zu versorgen und gleichzeitig die DC-Eingangsspannung aufrechtzuerhalten. Entwickler sollten für die beste Leistung Kondensatoren mit niedrigem Reihenersatzwiderstand (ESR) verwenden. Keramikkondensatoren mit X5R- oder X7R-Dielektrika werden wegen ihres niedrigen ESR und kleinen Temperaturkoeffizienten empfohlen. Für die meisten Anwendungen sind Kondensatoren mit einer Kapazität von 22 Mikrofarad (µF) ausreichend.

Ein effizientes Leiterplatten-Layout ist entscheidend für den stabilen Betrieb des MPM54304. Um eine bessere thermische Leistung zu erzielen, wird eine vierlagige Leiterplatte empfohlen (Abbildung 7). Um die besten Ergebnisse zu erzielen, sollten Entwickler diese Richtlinien befolgen:

  • Halten Sie die Stromschleife so klein wie möglich
  • Verwenden Sie eine große Massefläche zur direkten Verbindung mit PGND. Wenn die untere Schicht eine Massefläche ist, fügen Sie Durchkontaktierungen in der Nähe von PGND hinzu.
  • Stellen Sie sicher, dass die Hochstrompfade an GND und VIN kurze, direkte und breite Leiterbahnen haben
  • Platzieren Sie den Keramik-Eingangskondensator so nah wie möglich an der Komponente
  • Halten Sie den Eingangskondensator und IN so kurz und breit wie möglich
  • Platzieren Sie den VCC-Kondensator so nahe wie möglich an den VCC- und GND-Pins
  • Verbinden Sie VIN, VOUT und GND mit einer großen Kupferfläche, um die thermische Leistung und langfristige Zuverlässigkeit zu verbessern
  • Trennen Sie den Eingangs-GND-Bereich von anderen GND-Bereichen auf der oberen Lage und verbinden Sie sie auf den internen Lagen und der unteren Lage durch mehrere Durchkontaktierungen miteinander
  • Stellen Sie sicher, dass es einen integrierten GND-Bereich auf der internen Lage oder der unteren Lage gibt
  • Verwenden Sie mehrere Durchkontaktierungen, um die Leistungsebenen mit internen Lagen zu verbinden

Diagramm des Vier-Lagen-LeiterplattenlayoutsAbbildung 7: Bei Verwendung des Leistungsmoduls MPM54304 mit vier Ausgängen wird ein vierlagiges Leiterplattenlayout empfohlen. (Bildquelle: Monolithic Power Systems)

Fazit

Mit der Entwicklung von Verarbeitungsarchitekturen für hoch anspruchsvolle Datenanwendungen stehen die Entwickler vor der Herausforderung, Mehrschienen-Stromversorgungslösungen zu entwickeln, die eine erhöhte Verarbeitungsleistung und Elektronik in Formfaktoren unterstützen können, die entweder von gleicher Größe sind oder schrumpfen. DC/DC-Abwärtswandler sind kritische Komponenten bei der Entwicklung von Stromversorgungslösungen für diese Systeme, können aber in der Implementierung komplex sein.

Wie gezeigt, können Entwickler auf in sich geschlossene DC/DC-Abwärtswandlermodule mit mehreren Stromschienen und programmierbarer Sequenzierung zurückgreifen, was den Designprozess vereinfacht und die Markteinführung beschleunigt. Auch die neuen Konstruktionstechniken, die diese in sich geschlossenen Module ermöglichen, bieten eine Reihe von Performancevorteilen: Die EMI wird besser kontrolliert, die Wärmeableitung wird verbessert und die Größe des Footprints wird reduziert.

Empfohlene Lektüre

  1. Verwendung programmierbarer Leistungsmodule zur Beschleunigung des Designs von DC/DC-Reglern

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Über den Autor

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

Über den Verlag

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