Maximaliseer de versterking met behulp van geminiaturiseerde PoL-convertors

De huidige systeemvoedingsvereisten vormen een uitdaging, waarbij ontwerpers problemen als meervoudige voedingsspanningen, spanningssequencing, hoge transiënte belastingsstromen en buitensporige warmte moeten zien te overwinnen. In plaats van deze problemen bij de systeemvoeding aan te pakken, is het beter maatregelen te nemen op PCB-niveau (printed circuit board), wat betekent dat een of andere vorm van point-of-load (PoL) converter vereist is. Nu de meeste ontwerpingenieurs moeten voldoen aan de marktvraag naar kleinere, efficiëntere systeemconcepten, is er veel vraag naar geminiaturiseerde PoL-voedingen. Aangezien echter niet alle PoL-omzetters gelijk zijn, moet met verschillende factoren rekening worden gehouden alvorens een aankoopbeslissing te nemen

De elektronica-industrie wordt de laatste jaren gedomineerd door tal van belangrijke trends, waarvan de verschuiving van de industrie weg van gecentraliseerde voedingssystemen en zelfs van gedecentraliseerde of gedistribueerde vermogensarchitecturen (DPA) niet de minste is. De laatste tijd wordt de voorkeur gegeven aan intermediaire busarchitecturen (IBA), waarbij een geïsoleerde front-end DC/DC-omzetter meerdere kleine, niet-geïsoleerde DC/DC-omzetters (bekend als Point-of-Load/PoL-omzetters) voedt die dicht bij de te voeden belastingen worden geplaatst (figuur 1).

Figuur 1: PoL-omzetters zoals deze PMU8318 van Flex Power Modules bieden een alternatief voor gecentraliseerde voedingssystemen. (Afbeelding bron: Flex Power Modules)

Met betrekking tot de toepassing van PoL-omzetters is een andere reeks trends naar voren gekomen, waaronder de behoefte aan steeds hogere prestatieniveaus, lagere kosten en miniaturisering van systemen/componenten. De nieuwste elektronische apparaten zijn niet alleen sneller en slimmer, maar ook aanzienlijk kleiner, lichter, energiezuiniger en efficiënter dan de producten van de vorige generatie.

Deze factor heeft enorme gevolgen voor het ontwerp van de voeding. In de eerste plaats heeft elke vierkante millimeter printplaat een hoge waarde, dus hoe kleiner de convertor, hoe beter. Maar er is nog een andere kwestie die in overweging moet worden genomen. PoL-voedingen bieden een oplossing voor de uitdaging van hoge piekstroomvereisten en lage ruismarges die vereist zijn voor halfgeleiders met hoge prestaties, zoals microcontrollers of ASIC's, voornamelijk door ze dicht bij hun gebruikspunt te plaatsen. Helaas laten veel ontwerpers vanwege hun krappe ontwikkelingsschema's en complexe printplaten voedingsoverwegingen tot het laatste moment voor wat ze zijn. Als gevolg daarvan komt de PCB-ruimte vaak in het gedrang, zodat er slechts ruimte overblijft voor een geminiaturiseerd toestel.

Een andere overweging is veelzijdigheid. Het is raadzaam na te gaan of een PoL-omzetter geschikt is voor bijvoorbeeld zowel ASIC's als FPGA's. Hoewel de meeste geoptimaliseerde PoL-voedingen eenvoudige analoge (niet digitale) oplossingen zijn, is het vermogen om FPGA's te bedienen belangrijk, aangezien deze bij ontwerpers steeds populairder worden voor een veelheid van toepassingen.

FPGA's bieden veel voordelen ten opzichte van op maat ontworpen ASIC's, zoals lagere kosten, een breed scala van afmetingen en de mogelijkheid om circuits te herconfigureren. Maar hoewel deze voordelen zeer aantrekkelijk zijn voor ontwerpingenieurs, is er een probleem. Elke FPGA zal meerdere gelijkspanningsvoedingen nodig hebben. Vaak zullen vier, zes of meer gelijkstroomsporen nodig zijn, sommige met relatief hoge stromen voor de kern, maar vele met veel lagere stromen. Daarom is een zorgvuldige selectie van PoL-converters van cruciaal belang, vooral omdat de nieuwste high-density FPGA's (en ASIC's) steeds geavanceerder en veeleisender worden. Eenvoudig gezegd: prestaties, efficiëntie, kwaliteit en flexibiliteit mogen niet worden opgeofferd in naam van de miniaturisatie.

Maar met PCB onroerend goed op een premie, is er geen over het hoofd zien van het belang van grootte. Een belangrijk punt is dat kleine PoL-converters vaak een laag profiel hebben en licht genoeg zijn om aan de onderzijde van een printplaat te worden gebruikt, waardoor meer ruimte wordt bespaard en de ontwerpflexibiliteit toeneemt. Vergelijk dit ruimtebesparende concept met grotere/zwaardere/grotere PoL-voedingen of afzonderlijke geïsoleerde omzetters die slechts aan één kant van de printplaat kunnen worden gemonteerd, en het voordeel is duidelijk.

Bovendien kunnen miniatuur-PoL-omzetters veel dichter bij hun belasting worden geplaatst, wat opnieuw een aantal belangrijke voordelen biedt. Zo zullen bijvoorbeeld DC/DC-distributieverliezen tot een minimum worden beperkt, terwijl problemen in verband met ruisgevoeligheid en EMI-emissies zullen worden overwonnen. Bovendien kunnen zwerfinducties worden verminderd, waardoor sneller op transiënten kan worden gereageerd.

Het gebruik van meerdere PoL-omzetters maakt het ook veel gemakkelijker om de verschillende spanningsbronnen aan te bieden die typisch vereist zijn voor componenten met hoge specificaties op hedendaagse PCB's.

Een ander gebied dat nader moet worden onderzocht, zijn de thermische prestaties. Naarmate de vermogenscomponenten kleiner en dichter opeengepakt worden, is er meer kans op een hogere warmteoverdracht. Het is echter algemeen bekend dat de vermogensdissipatie, en dus de warmte, tot een minimum moet worden beperkt, om temperatuurstijgingen en mogelijke onbetrouwbaarheid, alsmede de extra kosten voor het verwijderen van overtollige warmte, te voorkomen. Het beste advies is dan ook om het gegevensblad van de PoL-omzetter aandachtig door te lezen, vooral bij het controleren van de thermische prestaties en rendementsgegevens. De informatie met betrekking tot de thermische prestaties wordt vaak verstrekt in de vorm van een "derating curve", die aangeeft hoe het maximale vermogen van een omvormer afhangt van de omgevingstemperatuur en de koelingsomstandigheden (figuur 2).

Figuur 2: De uitgangsstroom-deratingcurve van het PMU8318-product (12 VIN, 1 VOUT instelpunt, 6 A) toont aan dat de stroom stabiel blijft op 6 A bij geen luchtstroom tot de temperatuurwaarde van +105°C wordt bereikt. (Afbeelding bron: Flex Power Modules)

De efficiëntiegegevens van het product zijn ook te vinden in een overeenkomstige "efficiëntiecurve" op het gegevensblad en moeten grondig worden doorgelicht (figuur 3).

Figuur 3: Bij de keuze van een POL moet ook rekening worden gehouden met de efficiëntiecurve. Hier ziet u de typische efficiency karakteristieken van het PMU8318 product (12 VIN, meerdere VOUT en schakelfrequentie niveaus getoond, 6 A max). (Afbeelding bron: Flex Power Modules)

Ook wordt aanbevolen dat systeemontwerpers op zoek gaan naar extra functionaliteit die de prestaties mogelijk kan verhogen. Sommige regelaars zijn bijvoorbeeld voorzien van een lusoptimalisatiefunctie waarmee ingenieurs hun transiënte respons voor verschillende capacitieve belastingen kunnen optimaliseren, waardoor de flexibiliteit in het systeemontwerp toeneemt. Bepaalde PoL-oplossingen bieden ook een configureerbare softstart- of volgfunctie, die het ontwerpen van tijdsequenties gemakkelijker en flexibeler maakt.

Samengevat zijn miniatuur DC/DC-omzetters geschikt voor een breed scala van toepassingen op printplaten waar de ruimte beperkt is. Dergelijke regelaars zijn compact en kosteneffectief, en bieden tal van generieke projectvoordelen, zoals kortere ontwikkelingscycli, eenvoudiger kwalificatie-inspanningen, flexibiliteit bij de plaatsing van ontwerpen, hogere kwaliteitsniveaus, en besparingen op ontwikkelingskosten.

Om aan de aanhoudende vraag naar geminiaturiseerde PoL-regelaars te voldoen, verkoopt Flex Power Modules zijn compacte productfamilie via DigiKey, die een uitstekende prijs/prestatie-verhouding biedt in een klein, low-profile, feature-rijk pakket. De efficiëntie is hoog (gemiddeld 95,3%), terwijl ook de thermische prestaties uitzonderlijk zijn, deels omdat het LGA-ontwerp het mogelijk maakt warmte af te voeren naar de host PCB.

Deze miniatuur PMU8000 PoL converters, die verpakt zijn in een gestandaardiseerde vormfactor op de markt, kunnen worden toegepast op de boven- of onderzijde van de printplaat, waardoor ze een zeer flexibele oplossing vormen voor ontwerpingenieurs. Eén voetafdruk dekt stroomniveaus van 4 A, 6 A en 8 A, wat nog meer flexibiliteit biedt aan systeemontwerpers die het energieverbruik willen optimaliseren. Bovendien kunnen de modules ook functioneren bij hoge temperaturen (tot 105°C) en zware omgevingsomstandigheden. Hier betekent het robuuste ontwerp dat de gemiddelde tijd tussen storingen (MTBF) wordt gespecificeerd op 171 Mhrs. De PoL-regelaars van Flex Power Modules zijn geschikt voor een breed scala aan stroomconversietoepassingen, waaronder FPGA's, ASIC's, netwerkprocessoren, CPU's en GPU's, in sectoren als ICT (telecom en datacom), industrie, test en meting, IoT, spoorwegen en medisch.