ส่งมอบพลังความเที่ยงตรงสูงอย่างมีประสิทธิภาพไปยังโหลดที่สำคัญพร้อมผลกระทบน้อยที่สุดต่อพื้นที่บอร์ด

เซิร์ฟเวอร์ข้อมูลขนาดใหญ่ เช่นเดียวกับการใช้งานต่าง ๆ เช่น การเรียนรู้ของเครื่อง, ปัญญาประดิษฐ์ (AI), เซลล์ 5G, IoT และการประมวลผลระดับองค์กร มักต้องการ ASIC อันทรงพลัง, FPGA, GPU และ CPU ที่ต้องการกระแสไฟสูงที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ และกำลังสูง ความหนาแน่นในรอยเท้าขนาดกะทัดรัด เพื่อให้มั่นใจในความสมบูรณ์ของพลังงานของระบบโดยรวม มีการใช้ระบบการจัดการพลังงานแบบกระจายซึ่งนำแหล่งพลังงาน DC/DC ไปยังจุดโหลด (POL) ที่ถูกต้อง กล่าวคือ โปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูง อาจมีตัวแปลงไฟ DC/DC หลายตัวในบอร์ดเดียว ดังนั้นปัญหาที่นักออกแบบต้องเผชิญคือทำให้อุปกรณ์เหล่านี้มีขนาดเล็กที่สุดเพื่อประหยัดพื้นที่บอร์ด ในขณะเดียวกันก็ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ เวลาแฝง ความร้อน ประสิทธิภาพ และความน่าเชื่อถือ ในขณะเดียวกันก็ทำให้กระบวนการออกแบบง่ายขึ้นและลดต้นทุนลง

การแก้ปัญหาเมทริกซ์ของปัญหานี้ผสมผสานเซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูงและส่วนประกอบแบบพาสซีฟโดยใช้เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงเพื่อให้เกิดการรวมระบบในระดับที่สูงขึ้น สิ่งนี้แสดงให้เห็นแล้วว่าได้ขนาดที่เล็กกว่าในโปรไฟล์ที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีอื่น ๆ ที่มีอยู่ในปัจจุบันในขณะที่ปรับปรุงการจัดการระบายความร้อน ในทำนองเดียวกัน วิธีการแบบบูรณาการจะช่วยควบคุมต้นทุนในการออกแบบ ซึ่งรวมถึงการจัดการสินค้าคงคลังและระยะเวลาในการพัฒนา

บทความนี้กล่าวถึงความจำเป็นสำหรับเครือข่ายพลังงานแบบกระจายและบทบาทของอุปกรณ์ไฟฟ้า POL จากนั้นจะขอแนะนำคลาสของตัวแปลง POL DC/DC จาก TDK Corporation ที่ใช้เทคนิคการบรรจุขั้นสูงเพื่อให้ได้ลักษณะการทำงานที่ต้องการ บทความนี้ยังกล่าวถึงคุณลักษณะเด่นของพวกเขาและแสดงให้เห็นว่านักออกแบบสามารถปรับใช้คุณสมบัติเหล่านี้เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการจ่ายพลังงานของ POL ได้สำเร็จได้อย่างไร

เหตุใดจึงใช้แหล่งพลังงานตัวแปลง POL DC/DC

คอมพิวเตอร์ เซิร์ฟเวอร์ และอุปกรณ์ดิจิทัลอื่นๆ ใช้ FPGA, ASIC และอุปกรณ์ IC ขั้นสูงอื่น ๆ มากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งต้องใช้แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟหลายตัวซึ่งไม่มีจากแหล่งจ่ายไฟของระบบ นอกจากนี้ ยังต้องการแรงดันไฟฟ้าตามลำดับที่ถูกต้องโดยมีเวลาแฝงน้อยที่สุด แหล่งจ่ายไฟของระบบโดยทั่วไปจะมีแรงดันไฟฟ้าคงที่จำนวนหนึ่ง เช่น 1, 3.3 และ 5 โวลต์ FPGA ทั่วไปต้องการแรงดันไฟฟ้าในช่วง 1.2 ถึง 2.5 โวลต์ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: FPGA ทั่วไปต้องการแรงดันไฟฟ้าหลายตัวสำหรับฟังก์ชันเฉพาะภายในโปรเซสเซอร์ โปรเซสเซอร์ที่แสดงนี้ใช้อินพุตกำลังไฟเฉพาะแปดช่องที่ใช้แรงดันไฟฟ้าต่างกันสามตัว (ที่มาของภาพ: Art Pini)

อย่างน้อยที่สุด FPGA ต้องใช้วัสดุสิ้นเปลืองสำหรับส่วนหลักและส่วน I/O แยกต่างหาก FPGA ในตัวอย่างทำงานกับแกนประมวลผลที่ 1.2 โวลต์ และฟังก์ชัน I/O ที่ 2.5 โวลต์ นอกจากนี้ ยังต้องการระดับพลังงานอื่นๆ อีก 6 ระดับสำหรับวงจรเสริม เห็นได้ชัดว่าการวางแหล่งพลังงานเจ็ดแหล่งไว้ใกล้กับ FPGA ทำให้เกิดภาระในการออกแบบเลย์เอาต์ของบอร์ดพีซี นอกจากนี้ยังมีประเด็นเรื่องการกระจายความร้อนที่ต้องพิจารณา ทำให้แหล่งพลังงานต้องมีขนาดเล็กและมีประสิทธิภาพ

เทคโนโลยีที่จดสิทธิบัตรทำให้เกิดการรวมระบบที่ไม่เหมือนใคร

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านขนาด TDK ได้พัฒนาการออกแบบที่เป็นกรรมสิทธิ์สำหรับตัวแปลง POL DC/DC ที่ละทิ้งเค้าโครงส่วนประกอบแบบแยกส่วนแบบเคียงข้างกัน แต่ใช้การรวม 3D ตามเทคโนโลยี Semiconductor Embedded in SUBstrate (SESUB) ในแพ็คเกจ (SiP) เซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูงที่รวมตัวควบคุมการปรับความกว้างพัลส์ (PWM) และ MOSFET ไว้ภายในซับสเตรตของบอร์ดพีซีขนาด 250 ไมโครเมตร (µm) ทำให้เกิดคอนเวอร์เตอร์แบบสเต็ปดาวน์ (บั๊ก) ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเอาท์พุตของวงจรยังถูกรวมเข้ากับเลย์เอาต์ 3 มิติ เพื่อสร้างแพ็คเกจที่มีขนาดกะทัดรัดเป็นพิเศษและระบายความร้อนด้วยความร้อน (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: เทคโนโลยี SESUB ที่จดสิทธิบัตรแล้วได้รวมเอาตัวควบคุมพลังงาน IC และ MOSFET ขั้นสูงเข้ากับซับสเตรตขนาด 250 มม. พร้อมกับตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุของวงจรเอาท์พุตเพื่อสร้างโมดูลตัวแปลง DC/DC แบบบูรณาการสูง (ที่มาของภาพ: TDK Corporation)

โซลูชันพลังงาน POL ที่ไม่เหมือนใคร

TDK มี SESUB เป็นรากฐานของ μPOL (ออกเสียงว่า “micro-POL”) ของโมดูลพลังงาน DC/DC ขนาดเล็ก กำหนดเป็นรุ่น FS140x-xxxx-xxตระกูลผลิตภัณฑ์มีให้เลือก 19 รุ่น โดยมีระดับแรงดันไฟขาออก 5, 3.3, 2.5, 1.8, 1.5, 1.2, 1.1, 1.05, 1, 0.9, 0.8, 0.75, 0.7 และ 0.6 โวลต์ รองรับกระแสโหลดต่อเนื่องตั้งแต่ 3 ถึง 6 แอมแปร์ (A) ขึ้นอยู่กับรุ่นและมาในแพ็คเกจขนาด 3.3 x 3.3 x 1.5 มม. (มม.) (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ตัวแปลง μPOL DC/DC มีขนาดเพียง 3.3 x 3.3 x 1.5 มม. แต่สามารถรองรับกำลังไฟฟ้าสูงสุด 15 วัตต์ (ที่มาของภาพ: TDK Corporation)

เนื่องจากการออกแบบทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์ ตระกูลตัวแปลง DC/DC นี้สามารถให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 1 วัตต์ต่อ mm³ ทำให้บรรจุภัณฑ์ขนาดเล็กนี้สามารถรองรับได้ถึง 15 วัตต์

แรงดันไฟขาออกที่กำหนดตั้งจากโรงงานไว้ที่ ±0.5% รวมอินเทอร์เฟซ I²C ซึ่งอนุญาตให้ควบคุมตัวแปลงในเครื่อง แรงดันไฟขาออกสามารถปรับได้ในขั้นตอน ±5 มิลลิโวลต์ (mV) เกี่ยวกับแรงดันไฟที่กำหนดไว้ล่วงหน้า

ดูภายในตัวแปลง FS1406 μPOL

แผนภาพบล็อกการทำงานของ FS1406-1800-AL ตัวแปลง DC/DC ขนาด 1.8 โวลต์ แสดงให้เห็นว่าถึงแม้จะมีขนาดที่เล็ก แต่อุปกรณ์ก็เต็มไปด้วยฟังก์ชันวงจรที่ซับซ้อนมากมาย (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: บล็อกไดอะแกรมการทำงานของตัวแปลง DC/DC FS1406-1800-AL แสดงระดับความซับซ้อนของวงจร รวมถึง PWM ภายใน พอร์ต I²C ลอจิกควบคุม และ MOSFET เอาต์พุต (ที่มาของภาพ: DK Corporation)

FS1406-1800-AL มีเอาต์พุต 1.8 โวลต์และความสามารถในการโหลดต่อเนื่องที่ 6 A แรงดันเอาต์พุตคือ I²C สามารถตั้งโปรแกรมได้ตั้งแต่ 0.6 ถึง 2.5 โวลต์ ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 4.5 ถึง 16 โวลต์ และมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ระบุตั้งแต่ -40°C ถึง +125°C

หัวใจของตัวแปลง DC/DC นี้คือโมดูเลเตอร์ PWM ที่เป็นกรรมสิทธิ์ซึ่งออกแบบมาเพื่อให้การตอบสนองที่รวดเร็วและชั่วคราว โมดูเลเตอร์ PWM ทำงานที่ความถี่สวิตชิ่งตามสัดส่วนของแรงดันเอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์ ประกอบด้วยการชดเชยความเสถียรภายในซึ่งจับคู่กับตัวเก็บประจุเอาต์พุตประเภทต่าง ๆ โดยไม่ต้องใช้เครือข่ายชดเชยภายนอก ทำให้เป็น "ปลั๊กแอนด์เพลย์" เอาต์พุต PWM ของโมดูเลเตอร์ขับวงจรเกตสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า MOSFET ตัวเหนี่ยวนำตัวกรองเอาต์พุตดังที่กล่าวไว้นั้นรวมอยู่ในแพ็คเกจซึ่งช่วยลดส่วนประกอบภายนอกให้เหลือน้อยที่สุด

โปรดทราบว่า FS1406 มีตัวควบคุมแรงดันไฟแบบ Low dropout (LDO) ภายในที่ทำงานที่ประมาณ 5.2 โวลต์เพื่อจ่ายไฟให้กับวงจรภายในและ MOSFET

นอกจากนี้ นักออกแบบควรสังเกตคุณสมบัติการป้องกันในตัวซึ่งรวมถึงการป้องกันการสตาร์ทแบบนุ่มนวล บรรทัดสถานะ 'กำลังดี' การป้องกันแรงดันไฟเกิน การสตาร์ทแบบลำเอียงล่วงหน้า การปิดเครื่องด้วยความร้อนพร้อมการกู้คืนอัตโนมัติ และ การป้องกันกระแสเกินที่ชดเชยความร้อนด้วยโหม hiccup โหมด Hiccup จะปิดการจ่ายไฟในระยะเวลาที่กำหนด หากตรวจพบเหตุการณ์กระแสเกินและทำซ้ำตามลำดับจนกว่าข้อผิดพลาดจะถูกลบออก

อินเทอร์เฟซ I²C ใช้เพื่อตั้งค่าแรงดันเอาต์พุต นอกจากนี้ยังอนุญาตให้ตั้งค่าพารามิเตอร์การปรับระบบให้เหมาะสม รวมถึงพารามิเตอร์สำหรับฟังก์ชันการเริ่มต้นและการป้องกัน

การใช้งานทั่วไป

ตระกูล FS1406 ได้รับการบูรณาการอย่างสมบูรณ์และปรับแต่งมาจากโรงงานตามแรงดันไฟเป้าหมายที่กำหนด โดยไม่จำเป็นต้องใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟขาออก การออกแบบนี้ต้องการการเพิ่มความจุเอาต์พุตที่น้อยที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่าการกระเพื่อมของเอาต์พุตและการควบคุมโหลดที่ยอมรับได้ นอกจากนี้ยังต้องใช้ตัวเก็บประจุอินพุตเพื่อจัดการกับความต้องการกระแสไฟเข้า การเพิ่มส่วนประกอบวงจรขั้นต่ำที่จำเป็นจะแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5: ในแอปพลิเคชันทั่วไป ตระกูลคอนเวอร์เตอร์ FS1406 μPOL DC/DC ต้องการ อย่างน้อย การเพิ่มตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุตเท่านั้น (ที่มาของภาพ: TDK Corporation)

ตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุตควรมีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าต่ำ ขอแนะนำให้ใช้ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น แผ่นข้อมูล FS1406 ให้คำแนะนำโดยละเอียดเกี่ยวกับการคำนวณค่าความจุอินพุตและเอาต์พุต

กระดานประเมินผลช่วยนักออกแบบในการเริ่มต้น

บอร์ดประเมินผลสำหรับคอนเวอร์เตอร์ μPOL รุ่น 1.8 โวลต์คือ EV1406-1800A ซึ่งมีการออกแบบสำหรับตัวแปลง DC/DC ที่มีเอาต์พุต 1.8 โวลต์และแหล่งอินพุต 12 โวลต์ จ่ายกระแสไฟเอาต์พุตได้ตั้งแต่ 0 ถึง 6 A และมีขนาด 63 x 84 x 1.5 มม. (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: บอร์ดประเมินผล EV1406-1800A มีขนาด 63 x 84 x 1.5 มม. ตัวแปลง μPOL DC/DC ถูกเน้นด้วยสีเหลือง ให้มุมมองบางประการเกี่ยวกับขนาดจิ๋ว (ที่มาของภาพ: ทีดีเค คอร์ปอเรชั่น)

ขนาดและความสามารถในการจ่ายไฟของ µPOL ทำให้อุปกรณ์เหล่านี้สามารถใส่เข้ากับ FPGA หรือ ASIC ได้อย่างง่ายดาย นอกจากการจัดเตรียมตัวอย่างการออกแบบแล้ว บอร์ดประเมินผลยังมีตำแหน่งส่วนประกอบในรูเปิดสำหรับการทดลองผู้ใช้ด้วยค่าความจุอินพุตและเอาต์พุต นอกจากนี้ยังมีส่วนหัวสำหรับเลือกแหล่งจ่ายอคติภายใน FS1406-1800 หรือแหล่งจ่ายแรงดันไฟภายนอก ส่วนหัวอื่นช่วยให้เข้าถึงอินเทอร์เฟซ I²C ได้ง่าย

ดองเกิลการเขียนโปรแกรมI²C

เพื่อช่วยในการออกแบบ TDK ขอเสนอ TDK-MICRO-POL-DONGLE บอร์ดเขียนโปรแกรม I²C ซึ่งใช้เพื่อปรับแรงดันเอาต์พุตในขั้น ±5 mV นอกจากนี้ยังอนุญาตให้ตั้งโปรแกรมพารามิเตอร์การป้องกันระบบได้อีกด้วย ดองเกิลทำงานร่วมกับชุดซอฟต์แวร์ GUI ที่ให้มาโดย TDK ฟรี ทำให้ปรับตัวแปลงได้ง่าย

บทสรุป

สำหรับนักออกแบบที่ต้องการการจ่ายพลังงาน POL ที่มีความเที่ยงตรงสูงและเชื่อถือได้โดยมีผลกระทบต่อพื้นที่บอร์ดน้อยที่สุด กลุ่มผลิตภัณฑ์ TDK mPOL ที่มีตัวแปลง DC/DC 19 ตัวมอบโซลูชันที่เหมาะสมในการใช้งานที่หลากหลาย ตระกูลนี้รองรับระดับแรงดันเอาต์พุตทั่วไปสิบสี่ระดับ โดยแต่ละระดับสามารถปรับได้ในขั้นตอน ±5 mV โดยใช้พอร์ต I²C โครงสร้างเฉพาะของ SESUB ที่ได้รับการจดสิทธิบัตรของ µPOL ให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงพร้อมส่วนประกอบสนับสนุนที่น้อยที่สุด