Efficiënt hoog-integraal vermogen leveren aan kritieke belastingen met een minimale impact op de ruimte op de printplaat

Big data servers en toepassingen zoals machine learning, kunstmatige intelligentie (AI), 5G-cellen, IoT en enterprise computing vereisen vaak krachtige ASIC's, FPGA's, GPU's en CPU's die hoge stromen vereisen bij lage voltages, en een hoge vermogensdichtheid in compacte footprints. Om de integriteit van het totale systeemvermogen te waarborgen, worden gedistribueerde vermogensbeheersystemen gebruikt die DC/DC-voedingsbronnen rechtstreeks naar het punt van belasting (POL) brengen, d.w.z. de krachtige processoren. Er kunnen veel van dergelijke DC/DC-vermogenconvertors op een enkele printplaat worden geplaatst, zodat de ontwerpers voor het probleem staan deze apparaten zo klein mogelijk te maken om ruimte op de printplaat te besparen. Tegelijkertijd moeten zij voldoen aan de eisen inzake prestaties, latentie, thermische eigenschappen, efficiëntie en betrouwbaarheid, terwijl het ontwerpproces moet worden vereenvoudigd en de kosten laag moeten worden gehouden.

De oplossing voor deze matrix van problemen is een combinatie van krachtige halfgeleiders en passieve componenten, waarbij gebruik wordt gemaakt van geavanceerde verpakkingstechnologieën om een hoger niveau van systeemintegratie te realiseren. Gebleken is dat hierdoor in vergelijking met andere momenteel beschikbare technologieën kleinere afmetingen met een lager profiel kunnen worden bereikt, terwijl het thermisch beheer wordt verbeterd. Tegelijkertijd houdt de geïntegreerde aanpak de ontwerpkosten, inclusief voorraadbeheer en ontwikkelingstijd, in de hand.

In dit artikel wordt ingegaan op de behoefte aan gedistribueerde elektriciteitsnetten en de rol van POL-voedingsapparaten. Vervolgens wordt een klasse POL DC/DC-convertors van TDK Corporation voorgesteld die gebruik maken van geavanceerde verpakkingstechnieken om de vereiste prestatiekenmerken te bereiken. Het artikel bespreekt ook hun voornaamste kenmerken en laat zien hoe ontwerpers ze kunnen inzetten om met succes te voldoen aan hun POL-energie-eisen.

Waarom voor POL DC/DC-convertor stroombronnen kiezen

Computers, servers en andere digitale apparatuur maken steeds meer gebruik van FPGA's, ASIC's en andere geavanceerde IC-apparaten die meerdere voedingsspanningen vereisen die niet beschikbaar zijn via de voeding van het systeem. Bovendien vereisen zij die spanningen in de juiste volgorde met een minimale latentie. Voedingen voor systemen leveren over het algemeen een aantal vaste spanningen, zoals 1, 3,3 en 5 volt. Een typische FPGA vereist spanningen in het bereik van 1,2 tot 2,5 volt (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een typische FPGA vereist meerdere spanningen die bestemd zijn voor specifieke functies binnen de processor. De getoonde processor gebruikt acht speciale voedingsingangen die gebruik maken van drie verschillende spanningen. (Bron foto: Art Pini)

Een FPGA heeft ten minste afzonderlijke voedingen nodig voor de kern en de I/O-secties. De FPGA in het voorbeeld draait met de kern op 1,2 volt en de I/O-functies op 2,5 volt. Bovendien heeft hij nog zes andere vermogensniveaus nodig voor zijn hulpcircuits. Het is duidelijk dat het plaatsen van zeven stroombronnen in de nabijheid van de FPGA een belasting vormt voor het ontwerp van de printplaat. Ook moet rekening worden gehouden met de warmte-afvoer, zodat de voedingsbronnen klein en efficiënt moeten zijn.

Gepatenteerde technologie zorgt voor unieke systeemintegratie

Om aan de vereiste afmetingen te voldoen, heeft TDK een eigen ontwerp ontwikkeld voor POL DC/DC-convertors die afzien van zij-aan-zij-lay-out van discrete componenten. In plaats daarvan maakt het gebruik van 3D-integratie op basis van zijn SESUB-technologie (Semiconductor Embedded in SUBstrate) (System-in-package - SiP). Hoogwaardige halfgeleiders met een PWM-regelaar (pulsbreedtemodulatie) en MOSFET's zijn ingebed in het 250 micrometer (µm) bordsubstraat en vormen een step-down (buck) convertor. De uitgangsspoel en de condensatoren van het circuit zijn eveneens geïntegreerd in de 3D-lay-out, waardoor een ultracompacte, thermisch verbeterde behuizing ontstaat (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De gepatenteerde SESUB-technologie integreert een geavanceerd vermogensregelaar-IC en MOSFET's in een 250 mm substraat, samen met de uitgangsspoel en condensatoren van het circuit om een sterk geïntegreerde DC/DC-convertormodule te vormen. (Afbeelding bron: TDK Corporation)

Een unieke POL-stroomoplossing

TDK heeft SESUB als basis voor zijn μPOL (spreek uit "micro-POL") lijn van miniatuur DC/DC-vermogensmodules. De productfamilie, aangeduid als modellen FS140x-xxxx-xx, wordt geleverd in 19 selecties met uitgangsspanningsniveaus van 5, 3,3, 2,5, 1,8, 1,5, 1,2, 1,1, 1,05, 1, 0,9, 0,8, 0,75, 0,7, en 0,6 volt. Zij zijn geschikt voor continue belastingsstromen van 3 tot 6 ampère (A), afhankelijk van het model, en worden geleverd in een behuizing van 3,3 x 3,3 x 1,5 millimeter (mm) (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De μPOL DC/DC-convertor is slechts 3,3 x 3,3 x 1,5 mm, maar kan tot 15 watt aan. (Bron afbeelding: TDK Corporation)

Dankzij hun unieke fysieke ontwerp kan deze DC/DC-convertorfamilie een vermogensdichtheid leveren tot 1 watt per mm³, waardoor dit kleine pakket tot 15 watt aankan.

De nominale uitgangsspanningen zijn in de fabriek ingesteld op ±0,5%. Er is een I²C-interface waarmee de converter lokaal kan worden aangestuurd. De uitgangsspanningen kunnen in stappen van ±5 millivolt (mV) over de vooraf ingestelde nominale spanning worden getrimd.

Een kijkje in een FS1406 μPOL-convertor

Het functionele blokschema van de FS1406-1800-AL 1,8-volt DC/DC converter laat zien dat het apparaat, ondanks zijn geringe afmetingen, is uitgerust met een groot aantal geavanceerde circuitfuncties (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Het functionele blokschema van de FS1406-1800-AL DC/DC-convertor toont de schaal van verfijning van het circuit, met inbegrip van de interne PWM, I²C poort, besturingslogica, en output MOSFETs. (Bron afbeelding: TDK Corporation)

De FS1406-1800-AL heeft een nominale uitgang van 1,8 volt en een continue belastbaarheid van 6 A. De uitgangsspanning is I²C programmeerbaar van 0,6 tot 2,5 volt. Hij vereist een ingangsspanning van 4,5 tot 16 volt en heeft een gespecificeerd bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +125 °C.

Het hart van deze DC/DC-convertor is de eigen PWM-modulator, ontworpen voor een snelle, transiënte respons. De PWM-modulator werkt met een schakelfrequentie die evenredig is met de uitgangsspanning van de convertor. Hij bevat interne stabiliteitscompensatie die hem aanpast aan een verscheidenheid van uitgangscondensatortypes zonder dat externe compensatienetwerken nodig zijn, waardoor hij "plug-and-play" is. De PWM-uitgang van de modulator stuurt het poortcircuit voor de MOSFET-voedingsapparaten aan. De uitgangsfilterinductor is, zoals reeds vermeld, in het pakket opgenomen, waardoor het aantal externe componenten nog verder wordt beperkt.

Merk op dat de FS1406 een interne LDO (low dropout) spanningsregelaar bevat die op ongeveer 5,2 volt werkt om het interne circuit en de MOSFET's van stroom te voorzien.

Ontwerpers dienen ook kennis te nemen van de ingebouwde beveiligingsfuncties, waaronder soft-start beveiliging, een 'Power Good' statusregel, overspanningsbeveiliging, pre-biased opstarten, thermische uitschakeling met auto-recovery, en thermisch gecompenseerde overstroombeveiliging met hik-modus. De hik-modus schakelt de stroomtoevoer voor een bepaalde tijd uit als een overstroomgebeurtenis wordt gedetecteerd en herhaalt de sequentie tot de fout is opgeheven.

De I²C-interface wordt gebruikt om de uitgangsspanning in te stellen. Hiermee kunnen ook de parameters voor de optimalisatie van het systeem worden ingesteld, met inbegrip van die voor de opstart- en beveiligingsfuncties.

Typische toepassing

De FS1406-familie is volledig geïntegreerd en wordt in de fabriek getrimd op de gespecificeerde doelspanning, waardoor een spanningsdeler aan de uitgang niet nodig is. Het ontwerp vereist wel de toevoeging van een minimale uitgangscapaciteit om een aanvaardbare uitgangsrimpel en belastingsregeling te garanderen. Hij heeft ook een ingangscondensator nodig om aan zijn ingangsstroombehoefte te voldoen. De minimaal vereiste toevoegingen aan de schakeling zijn aangegeven in Afbeelding 5.

Afbeelding 5: In een typische toepassing vereist de FS1406 μPOL DC/DC-convertorfamilie minimaal alleen de toevoeging van de ingangs- en uitgangscondensators. (Bron afbeelding: TDK Corporation)

De ingangs- en uitgangscondensators moeten een lage equivalente serieweerstand hebben. Meerlagige keramische condensators worden aanbevolen. Het FS1406-gegevensblad bevat gedetailleerde aanwijzingen voor de berekening van zowel de ingangs- als de uitgangscapaciteitswaarden.

Evaluatieborden helpen ontwerpers op weg

Het evaluatiebord voor de 1,8-volt versie van de μPOL-convertor is de EV1406-1800A die een ontwerp biedt voor een DC/DC-convertor met een 1,8-volt uitgang en een 12-volt ingangsbron. Hij levert een uitgangsstroom van 0 tot 6 A en meet 63 x 84 x 1,5 mm (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Het evaluatiebord EV1406-1800A meet 63 x 84 x 1,5 mm; de μPOL DC/DC-omzetter is geel gemarkeerd, wat zijn geringe afmetingen enigszins verduidelijkt. (Afbeelding bron: TDK Corporation)

Dankzij de afmetingen en het vermogen van de µPOL passen meerdere van deze apparaten gemakkelijk rond een FPGA of ASIC. Het evaluatiebord biedt niet alleen een ontwerpvoorbeeld, maar heeft ook open door-gat componentlocaties zodat de gebruiker kan experimenteren met de ingangs- en uitgangscapaciteitswaarden. Het heeft ook een header voor het selecteren van ofwel de FS1406-1800 interne bias voeding of een externe spanningsbron. Een andere header biedt gemakkelijk toegang tot de I²C-interface.

De I²C-programmeerdongle

Als ontwerphulp biedt TDK het TDK-MICRO-POL-DONGLE I²C-programmeerbord waarmee de uitgangsspanning in stappen van ±5 mV kan worden gevarieerd. Het maakt ook de programmering van de systeembeveiligingsparameters mogelijk. De dongle werkt met een gratis door TDK geleverd GUI-softwarepakket, waarmee de converter eenvoudig kan worden afgesteld.

Conclusie

Voor ontwerpers die een betrouwbare POL-voeding met hoge integriteit wensen met een minimale impact op de boardruimte, biedt de TDK mPOL-lijn van 19 DC/DC-convertors een geschikte oplossing voor een brede waaier van toepassingen. De familie ondersteunt veertien gangbare uitgangsspanningsniveaus, die elk instelbaar zijn in stappen van ±5 mV via een I²C-poort. De unieke, gepatenteerde constructie op basis van SESUB van de µPOL biedt een hoge vermogensdichtheid met een minimum aan ondersteunende componenten.