EUR | USD

Gebruik geïntegreerde step-down DC/DC-modules voor een hoge dichtheid, efficiënte vermogensconversie met lage EMI

Door Jeff Shepard

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Naarmate het integratieniveau en de proliferatie van elektronische apparatuur toeneemt, staan ontwerpers voortdurend onder druk om de efficiëntie te verbeteren en tegelijk de kosten, de afmetingen en de elektromagnetische interferentie (EMI) te beperken. Terwijl de stroomvoorzieningen er qua vermogensdichtheid en efficiëntie op vooruit zijn gegaan, worden ontwerpers nu ook geconfronteerd met de uitdaging om multi-rail stroomoplossingen te ontwikkelen voor heterogene verwerkingsarchitecturen die een mix van ASIC's, DSP's, FPGA's en microcontrollers kunnen omvatten.

Traditioneel worden step-down DC/DC-convertors gebruikt om dergelijke architecturen van stroom te voorzien, maar met een toenemend aantal stroomrails kan het gebruik van traditionele discrete step-down DC/DC-convertors met een regel-IC en interne of externe vermogens-MOSFET's, plus externe inductors en condensators complex en tijdrovend zijn. In plaats daarvan kunnen ontwerpers gebruik maken van zelfstandige step-down DC/DC-convertormodules met meerdere rails en programmeerbare sequencing die EMI beter onder controle houden, minder warmte genereren en minder ruimte innemen.

Dit artikel geeft een overzicht van de stroomvoorzieningsbehoeften van embedded ontwerpen en bespreekt verschillende benaderingen en waarmee ontwerpers rekening moeten houden, alvorens het concept van zelfstandige step-down DC/DC-modules te introduceren. Vervolgens wordt aan de hand van een voorbeeld van Monolithic Power Systems kort ingegaan op de ontwerp- en lay-outoverwegingen die ontwerpers in acht moeten nemen om de prestatievoordelen van deze modules te maximaliseren.

Waarom embedded systemen veel stroomrails nodig hebben

Ingebedde ontwerpen zoals 5G-basisstations zijn bedoeld ter ondersteuning van de steeds toenemende datavolumevereisten van smartphones en slimme aangesloten apparaten in toepassingen zoals thuis- en industriële automatisering, autonome voertuigen, gezondheidszorg en slimme wearables. Dergelijke basisstations gebruiken gewoonlijk een ingangsspanning van 48 volt die door DC/DC-convertors wordt teruggebracht tot 24 volt of 12 volt, en vervolgens verder wordt teruggebracht tot de vele subspanningen, variërend van 3,3 volt tot minder dan 1 volt, om ASIC's, FPGA's, DSP's en andere apparaten in de basisbandverwerkingsfasen van stroom te voorzien. Vaak moeten de stroomrails sequentieel worden in- en uitgeschakeld, wat de complexiteit van het voedingssysteem voor ontwerpers nog vergroot.

In het voorbeeld van 5G-basisstations kan de traditionele CPU alleen niet langer voldoen aan de verwerkingseisen. Er zijn echter voordelen verbonden aan het gebruik van een versnellingskaart met een FPGA, zoals herconfigureerbaarheid van het systeem, flexibiliteit, korte ontwikkelingscyclus, zeer parallelle gegevensverwerking en lage latentie. Maar de beschikbare ruimte voor de FPGA-voeding wordt kleiner, en de eisen inzake stroomrailprestaties zijn ingewikkeld (Afbeelding 1):

  • Afwijking van de uitgangsspanning: De uitgangsspanningsafwijking van de spanningsrail moet kleiner zijn dan ±3%, en er moet voldoende marge in het ontwerp worden gelaten. Door de regelkring te optimaliseren om de bandbreedte te vergroten en de stabiliteit te waarborgen, moet de ontkoppelingscondensator zorgvuldig worden toegepast en ontworpen.
  • Monotone start: De start van alle spanningsrails moet monotoon stijgen, en het ontwerp moet voorkomen dat de uitgangsspanning terugkeert naar de startwaarde.
  • Rimpeling van de uitgangsspanning: In stabiele toestand mag de uitgangsspanningsrimpel van alle spanningsrails (behalve de analoge spanningsrail) ten hoogste 10 millivolt (mV) bedragen.
  • Timing: FPGA's moeten voldoen aan specifieke timingvereisten tijdens opstarten en uitschakelen.

Grafiek van de grootte van de processor op versnellingskaartenAfbeelding 1: Door de steeds hogere eisen die aan computers worden gesteld, is de omvang van de processor op versnellingskaarten gegroeid, waardoor er weinig ruimte overblijft voor de stroomvoorziening. (Afbeelding: Monolithic Power Systems)

Processors hebben meer stroom en vermogen nodig naarmate de eisen aan de bandbreedte voor gegevensverwerking hoger worden. Het wordt voor de industrie ook steeds moeilijker om te voldoen aan de eisen inzake berekeningsdichtheid en floating-point-snelheid voor versnellingskaarten. Het slot voor de versnellingskaart is gewoonlijk PCIe gestandaardiseerd, zodat de grootte van het bord vast ligt. Door de steeds hogere eisen die aan computers worden gesteld, is de omvang van de processor gegroeid, waardoor er weinig ruimte overblijft voor de voeding.

Alternatieven voor het ontwerp van energiesystemen

Het gebruik van traditionele discrete step-down DC/DC-convertors met een regel-IC en interne of externe vermogens-MOSFET's, plus externe inductors en condensators, is één benadering van de voeding van ingebedde systemen. Zoals hierboven besproken, is het voor ontwerpers een ingewikkeld en tijdrovend proces wanneer multi-rail vermogensoplossingen nodig zijn. Naast overwegingen om de efficiëntie te maximaliseren en de omvang van de oplossing te minimaliseren, moeten ontwerpers zorgvuldig zijn met de indeling en plaatsing van filtercomponenten om geleide en uitgestraalde EMI, veroorzaakt door schakelstromen in de convertor- en inductorcircuits, te minimaliseren (Afbeelding 2).

Schema van discrete step-down DC/DC-convertorsAfbeelding 2: Discrete step-down DC/DC-convertors hebben meerdere EMI-bronnen die ontwerpers moeten beheren. (Afbeelding: Monolithic Power Systems)

DC/DC-convertors genereren doorgaans geleide EMI via magnetische velden van het stroomluspad dat wordt gevormd tussen het schakelknooppunt van de uitgangs-MOSFET en massa, en de ingangscondensator en massa. Zij genereren ook EMI in de vorm van uitgezonden elektrische velden van het MOSFET-schakelknooppunt naar de inductoraansluiting, die een hoge dV/dt heeft omdat hij voortdurend van het hoge ingangsspanningsniveau naar de aarde schakelt, en van de elektromagnetische velden die in de inductor worden opgewekt. Als het ontwerp niet goed is, leidt dat vaak tot tijdrovende EMI-laboratoriumtests en meerdere ontwerpiteraties.

Een vier-rail oplossing voor de voeding van een ASIC of FPGA met gebruikmaking van discrete step-down DC/DC-converters kan 1220 vierkante millimeter (mm2) in beslag nemen (Afbeelding 3). Dat kan worden teruggebracht tot ongeveer 350 mm2 met behulp van een oplossing op basis van een vermogensbeheer-IC (PMIC). Als alternatief kunnen ontwerpers een autonome viervoudige uitgang DC/DC-convertormodule gebruiken om de oplossing te verkleinen tot slechts 121 mm2, terwijl ook het ontwerpproces wordt vereenvoudigd en de time-to-market wordt versneld. Dankzij de vooruitgang in de halfgeleiderprocestechnologie en de constructie van de behuizing kunnen de laatste generaties DC/DC-modules een zeer hoge vermogensdichtheid, een hoog rendement en goede EMI-prestaties leveren in een kleine vormfactor.

Schema van geïntegreerde DC/DC-moduleoplossing (klik om te vergroten)Afbeelding 3: Het gebruik van een geïntegreerde DC/DC-moduleoplossing kan tot 90% van de ruimte op de printplaat besparen in vergelijking met een discrete oplossing. (Afbeelding bron: Monolithic Power Systems)

Nieuwe constructietechnieken, zoals "in-package flip-chip" en "mesh-connect" loodframe-technologie, betekenen dat het IC, de inductor en de passiva rechtstreeks op het lead frame kunnen worden gemonteerd zonder draadbinding of een extra interne printplaat (Afbeelding 4). In vergelijking met oudere constructiestijlen waarbij gebruik wordt gemaakt van een intern printplaatsubstraat of draadverlijming, kan de lengte van de verbindingssporen worden geminimaliseerd, en rechtstreekse aansluiting op passieve componenten houdt de inductantie laag om EMI te minimaliseren.

Schema van de constructie met gebruikmaking van het loodframe voor onderlinge verbindingenFiguur 4: Een nieuwe vorm van constructie waarbij gebruik wordt gemaakt van het loodframe voor interconnecties heeft een aantal voordelen: EMI is beter onder controle, de warmteafvoer is verbeterd, en de voetafdruk is kleiner geworden. (Afbeelding: Monolithic Power Systems)

Het gebruik van een LGA-pakket (Land Grid Array) dat rechtstreeks op de doelprintplaat wordt gemonteerd, biedt een lager EMI-profiel dan alternatieve single-in-line (SIL) of SIL-pakket (SIP) convertors met aansluitdraden die EMI kunnen uitstralen.

Programmeerbare geïntegreerde DC/DC-modules met vier uitgangen

Om te voldoen aan de multi-rail, hoge vermogensdichtheid behoeften van embedded systemen, kunnen ontwerpers zich wenden tot de MPM54304 van Monolithic Power Systems (Afbeelding 5). De MPM54304 is een complete vermogensbeheermodule die vier hoogrendement, step-down DC/DC-convertors, inductors en een flexibele logische interface integreert. Werkend over een ingangsspanningsbereik van 4 volt tot 16 volt, kan de MPM54304 een uitgangsspanningsbereik van 0,55 volt tot 7 volt ondersteunen. De vier uitgangsrails kunnen stromen aan van maximaal 3 ampère (A), 3 A, 2 A en 2 A. De twee 3 A rails en twee 2 A rails kunnen parallel worden geschakeld om respectievelijk 6 A en 4 A te leveren. Ontwerpers moeten er rekening mee houden dat de maximale uitgangsstroom in parallelle modus ook wordt beperkt door de totale vermogensdissipatie. Dit biedt de flexibiliteit om verschillende uitgangsconfiguraties te genereren (met inachtneming van de totale vermogensdissipatiebeperkingen):

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

Schema van Monolithic Power Systems MPM54304 complete step-down vermogensbeheermoduleAfbeelding 5: De MPM54304 is een complete 4 volt tot 16 volt ingang quad-output step-down vermogensbeheermodule (Afbeelding: Monolithic Power Systems)

De MPM54304 biedt ook interne sequencing voor opstarten en uitschakelen. De railconfiguraties en de sequencing kunnen worden voorgeprogrammeerd door de meervoudig programmeerbare (MTP) e-zekering of via de I2C-bus.

Deze DC/DC-convertor met vaste frequentie en constant-on-time (COT) regeling biedt een snelle transiëntresponsie. De standaard schakelfrequentie van 1,5 megahertz (MHz) beperkt de externe condensator aanzienlijk. De schakelklok wordt vergrendeld en in fase verschoven van buck 1 naar buck 4 tijdens continu stroombedrijf (CCM). De uitgangsspanning is instelbaar via de I2C-bus of vooraf in te stellen door de MTP e-zekering.

Volledige beveiligingsfuncties omvatten onderspanning lock-out (UVLO), overstroombeveiliging (OCP), en thermische uitschakeling. De MPM54304 vereist een minimaal aantal externe componenten en is verkrijgbaar in een ruimtebesparend LGA (7 mm x 7 mm x 2 mm) pakket (Afbeelding 6). Het lage profiel van de LGA maakt hem geschikt voor plaatsing achter op een bord of onder een koellichaam.

Afbeelding van Monolithische Power Systems MPM54304 vermogensbeheermoduleAfbeelding 6: Het LGA-pakket van de MPM54304 biedt een compacte en laagprofieloplossing met lage EMI (Afbeelding bron: Monolithic Power Systems)

Overwegingen met betrekking tot het ontwerp en de indeling

De MPM54304 heeft een eenvoudige pinout langs de rand, waardoor de lay-out en het ontwerp van de printplaat eenvoudiger wordt. Met slechts vijf externe componenten is de totale oplossing klein en compact. Dankzij het LGA-pakket kan een massieve massaplaat het grootste deel van het oppervlak onder de module bedekken, waardoor wervelstroomlussen worden gesloten en EMI verder wordt beperkt.

Deze step-downconvertor heeft een discontinue ingangsstroom en vereist een condensator om wisselstroom aan de convertor te leveren terwijl de DC-ingangsspanning gehandhaafd blijft. Ontwerpers moeten condensators met een lage equivalente serieweerstand (ESR) gebruiken voor de beste prestaties. Keramische condensators met X5R of X7R diëlektrica worden aanbevolen vanwege hun lage ESR en kleine temperatuurcoëfficiënten. Voor de meeste toepassingen zijn condensators van 22 microfarad (µF) voldoende.

Een efficiënte layout van de printplaat is essentieel voor een stabiele werking van de MPM54304. Een printplaat met vier lagen wordt aanbevolen om betere thermische prestaties te verkrijgen (Afbeelding 7). Voor de beste resultaten moeten ontwerpers deze richtlijnen volgen:

  • Houd de stroomkring zo klein mogelijk
  • Gebruik een grote massaplaat voor een directe verbinding met PGND. Als de onderste laag een massaplaat is, voeg dan vias toe in de buurt van PGND.
  • Zorg ervoor dat de hoge-stroom paden bij GND en VIN korte, directe en brede sporen hebben
  • Plaats de keramische ingangscondensator zo dicht mogelijk bij het apparaat
  • Houd de ingangscondensator en IN zo kort en breed mogelijk
  • Plaats de VCC-condensator zo dicht mogelijk bij de VCC- en GND-pennen
  • Sluit VIN, VOUT en GND aan op een groot koperen oppervlak om de thermische prestaties en de betrouwbaarheid op lange termijn te verbeteren
  • Scheid het ingangs-GND-gebied van andere GND-gebieden op de toplaag en verbind ze met elkaar op de interne lagen en de onderlaag door middel van meerdere vias
  • Zorg ervoor dat er een geïntegreerd GND-gebied is op de interne laag of de onderste laag
  • Gebruik meerdere vias om de voedingsvlakken te verbinden met interne lagen

Schema van vierlaagse printplaat lay-outAfbeelding 7: Een vierlaagse printplaatlay-out wordt aanbevolen bij gebruik van de MPM54304-quad-outputvoedingsmodule. (Afbeelding: Monolithic Power Systems)

Conclusie

Naarmate verwerkingsarchitecturen evolueren om te voldoen aan zeer veeleisende gegevenstoepassingen, worden ontwerpers geconfronteerd met de uitdaging om meerrailsenergieoplossingen te ontwikkelen die meer verwerkingsvermogen en elektronica kunnen ondersteunen in vormfactoren die ofwel statisch zijn of krimpen. Step-down DC/DC-convertors zijn kritische componenten bij het ontwerpen van voedingsoplossingen voor deze systemen, maar kunnen complex zijn om te implementeren.

Zoals aangetoond, kunnen ontwerpers gebruik maken van zelfstandige step-down DC/DC-convertormodules met meerdere voedingssporen en programmeerbare sequencing, waardoor het ontwerpproces wordt vereenvoudigd en de time-to-market wordt versneld. Ook de nieuwe constructietechnieken die deze op zichzelf staande modules mogelijk maken, bieden een aantal prestatievoordelen: EMI is beter onder controle, de warmteafvoer is verbeterd, en de voetafdruk is kleiner geworden.

Aanbevolen lectuur

  1. Gebruik programmeerbare vermogensmodules om het ontwerp van DC/DC-regelaars te versnellen

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

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.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key