ใช้โมดูล DC/DC แบบลดขั้นตอนในตัวสำหรับการแปลงพลังงานที่มีความหนาแน่นสูงและมีประสิทธิภาพด้วย EMI ต่ำ

เมื่อระดับการรวมและการขยายตัวของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพิ่มขึ้นนักออกแบบจึงต้องอยู่ภายใต้แรงกดดันอย่างต่อเนื่องในการปรับปรุงประสิทธิภาพในขณะที่ลดต้นทุนขนาดและสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ในขณะที่พาวเวอร์ซัพพลายได้รับการปรับปรุงในด้านความหนาแน่นและประสิทธิภาพของพลังงานนักออกแบบยังต้องเผชิญกับความท้าทายในการพัฒนาโซลูชันพลังงานหลายรางสำหรับสถาปัตยกรรมการประมวลผลที่แตกต่างกันซึ่งอาจรวมถึงการผสมผสานระหว่าง ASICs, DSPs, FPGAs และไมโครคอนโทรลเลอร์

ตัวแปลง DC/DC แบบสเต็ปดาวน์มักใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับสถาปัตยกรรมดังกล่าว แต่ด้วยรางไฟที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ การใช้ตัวแปลง DC/DC แบบ step-down แบบไม่ต่อเนื่องแบบดั้งเดิมที่มี IC ควบคุมและ MOSFETs กำลังภายในหรือภายนอก และตัวเก็บประจุ อาจซับซ้อนและใช้เวลานาน นักออกแบบสามารถใช้โมดูลตัวแปลง DC/DC แบบ step-down ที่มีในตัวพร้อมรางหลายรางและการจัดลำดับโปรแกรมที่ควบคุม EMI ได้ดีขึ้นมีความร้อนที่เกิดขึ้นน้อยลงและมีขนาดเล็กลง

บทความนี้จะทบทวนความต้องการระบบไฟฟ้าของการออกแบบแบบฝังและหารือเกี่ยวกับแนวทางต่างๆและสิ่งที่นักออกแบบต้องพิจารณาก่อนที่จะแนะนำแนวคิดของโมดูล DC/DC แบบ step-down ที่มีในตัว จากนั้นจะใช้อุปกรณ์ตัวอย่างจาก ระบบ Monolithic Power เพื่อตรวจสอบข้อควรพิจารณาในการออกแบบและการจัดวางในช่วงสั้น ๆ นักออกแบบจำเป็นต้องคำนึงถึงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของโมดูลเหล่านี้ให้สูงสุด

ทำไมระบบฝังตัวจึงต้องมีรางไฟฟ้าจำนวนมาก

การออกแบบในตัว เช่น สถานีฐาน 5G มีจุดมุ่งหมายเพื่อรองรับความต้องการปริมาณข้อมูลที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จากสมาร์ทโฟนและอุปกรณ์เชื่อมต่ออัจฉริยะในแอปพลิเคชันต่างๆเช่นระบบอัตโนมัติในบ้านและในอุตสาหกรรมยานยนต์อัตโนมัติการดูแลสุขภาพและอุปกรณ์สวมใส่อัจฉริยะ โดยทั่วไปสถานีฐานดังกล่าวจะใช้แหล่งจ่ายอินพุต 48 โวลต์ที่ตัวแปลง DC/DC ลดลงเป็น 24 โวลต์หรือ 12 โวลต์จากนั้นจึงเป็นขั้นตอนต่อไปที่รางย่อยจำนวนมากตั้งแต่ 3.3 โวลต์ถึงน้อยกว่า 1 โวลต์เพื่อจ่ายไฟ ASICs, FPGAs , DSP และอุปกรณ์อื่น ๆ ในขั้นตอนการประมวลผลเบสแบนด์ บ่อยครั้งที่รางไฟฟ้าจำเป็นต้องมีการจัดลำดับสำหรับการเริ่มต้นและการปิดเครื่องซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อนของระบบไฟฟ้าสำหรับนักออกแบบ

ในตัวอย่างของสถานีฐาน 5G CPU แบบเดิมจะไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการประมวลผลได้อีกต่อไป อย่างไรก็ตามมีข้อดีในการใช้การ์ดเร่งความเร็วที่มี FPGA สำหรับความสามารถในการกำหนดค่าระบบใหม่ความยืดหยุ่นรอบการพัฒนาที่สั้นการประมวลผลแบบขนานสูงและเวลาแฝงต่ำ แต่พื้นที่ว่างสำหรับแหล่งจ่ายไฟ FPGA กำลังลดลงและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของรางจ่ายไฟนั้นซับซ้อน (รูปที่ 1):

• ชดเชยแรงดันไฟฟ้าขาออก: ความเบี่ยงเบนของแรงดันไฟฟ้าขาออกของรางแรงดันไฟฟ้าต้องน้อยกว่า ±3% และควรเว้นระยะห่างที่เพียงพอในการออกแบบ ด้วยการปรับลูปควบคุมให้เหมาะสมเพื่อเพิ่มแบนด์วิดท์และรับรองความเสถียรควรใช้และออกแบบตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนอย่างระมัดระวัง
• โมโนโทนิคสตาร์ท: การเริ่มต้นของรางแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดจะต้องเพิ่มขึ้นอย่างซ้ำซากจำเจและการออกแบบควรป้องกันไม่ให้แรงดันขาออกกลับสู่ค่าเริ่มต้น
• แรงดันไฟฟ้าขาออก: ในการทำงานในสภาวะคงที่แรงดันไฟฟ้าขาออกของรางแรงดันไฟฟ้าทั้งหมด (ยกเว้นรางแรงดันไฟฟ้าแบบอะนาล็อก) ต้องมีค่าสูงสุด 10 มิลลิโวลต์ (mV)
• เวลา: FPGA ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านเวลาที่เฉพาะเจาะจงระหว่างการเริ่มต้นและการปิดระบบ

รูปที่ 1: เนื่องจากความต้องการในการประมวลผลที่เพิ่มขึ้นขนาดของโปรเซสเซอร์บนการ์ดเร่งความเร็วจึงเพิ่มขึ้นทำให้มีพื้นที่เหลือเพียงเล็กน้อยสำหรับแหล่งจ่ายไฟ (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

โปรเซสเซอร์ต้องการกระแสและพลังงานมากขึ้นเนื่องจากความต้องการแบนด์วิดท์การประมวลผลข้อมูลมีความต้องการมากขึ้น ความหนาแน่นในการคำนวณและข้อกำหนดความเร็วทศนิยมสำหรับการ์ดเร่งความเร็วก็กลายเป็นเรื่องยากสำหรับอุตสาหกรรมเช่นกัน โดยปกติแล้วช่องเสียบการ์ดเร่งความเร็วจะเป็นแบบมาตรฐาน PCIe ดังนั้นขนาดของบอร์ดจึงได้รับการแก้ไข เนื่องจากความต้องการในการประมวลผลที่เพิ่มขึ้นขนาดของโปรเซสเซอร์จึงเพิ่มขึ้นทำให้เหลือพื้นที่สำหรับจ่ายไฟเพียงเล็กน้อย

ทางเลือกในการออกแบบระบบไฟฟ้า

การใช้ตัวแปลง DC/DC แบบ step-down แบบไม่ต่อเนื่องแบบดั้งเดิมที่มี IC ควบคุมและ MOSFETs กำลังภายในหรือภายนอกรวมทั้งตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุภายนอกเป็นแนวทางหนึ่งในการเปิดระบบฝังตัว ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและใช้เวลานานสำหรับนักออกแบบเมื่อจำเป็นต้องใช้โซลูชันพลังงานหลายราง นอกเหนือจากการพิจารณาการเพิ่มประสิทธิภาพและการลดขนาดโซลูชันแล้วนักออกแบบยังต้องระมัดระวังในการจัดวางและการจัดวางส่วนประกอบของตัวกรองเพื่อลด EMI ที่ดำเนินการและแผ่ออกมาซึ่งเกิดจากการสลับกระแสในวงจรตัวแปลงและตัวเหนี่ยวนำ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ตัวแปลง DC/DC แบบ step-down แบบแยกมีแหล่ง EMI หลายแหล่งที่นักออกแบบต้องจัดการ (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

โดยทั่วไปแล้วตัวแปลง DC/DC จะสร้าง EMI ที่ดำเนินการผ่านสนามแม่เหล็กจากเส้นทางลูปปัจจุบันที่เกิดขึ้นระหว่างโหนดการสลับ MOSFET กำลังเอาต์พุตไปยังกราวด์และตัวเก็บประจุอินพุตกับกราวด์ นอกจากนี้ยังสร้าง EMI สนามไฟฟ้าที่แผ่กระจายจากโหนดการสลับ MOSFET ไปยังการเชื่อมต่อตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งมี dV/dt สูงเนื่องจากมีการเปลี่ยนจากระดับแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงเป็นกราวด์อย่างต่อเนื่อง และจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นภายในตัวเหนี่ยวนำ ความล้มเหลวในการออกแบบให้ถูกต้องมักส่งผลให้การทดสอบในห้องปฏิบัติการ EMI ใช้เวลานานและการออกแบบซ้ำหลายครั้ง

โซลูชันสี่รางสำหรับเปิด ASIC หรือ FPGA โดยใช้ตัวแปลง DC/DC แบบ step-down แบบแยกส่วนสามารถใช้พื้นที่ 1220 ตารางมิลลิเมตร (mm²) (รูปที่ 3) ที่ลดได้เหลือประมาณ 350 mm² โดยใช้โซลูชันที่ใช้ IC การจัดการพลังงาน (PMIC) อีกทางเลือกหนึ่งคือนักออกแบบสามารถใช้โมดูลตัวแปลง DC/DC แบบควอด-เอาท์พุตในตัวเพื่อลดขนาดโซลูชันให้เหลือเพียง 121 mm² ในขณะเดียวกันก็ทำให้ขั้นตอนการออกแบบง่ายขึ้นและเร่งเวลาออกสู่ตลาด ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์และการสร้างบรรจุภัณฑ์หมายความว่าโมดูล DC/DC รุ่นล่าสุดมีความหนาแน่นของพลังงานสูงประสิทธิภาพสูงและประสิทธิภาพของ EMI ที่ดีในรูปแบบขนาดเล็ก

รูปที่ 3: การใช้โซลูชันโมดูล DC/DC ในตัวสามารถประหยัดเนื้อที่บอร์ดได้ถึง 90% เมื่อเทียบกับโซลูชันแบบแยก (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

เทคนิคการสร้างแบบใหม่เช่นเทคโนโลยีฟลิปชิปในบรรจุภัณฑ์และเทคโนโลยีลีดเฟรม "mesh-connect" หมายความว่าสามารถติดตั้ง IC ตัวเหนี่ยวนำและพาสซีฟเข้ากับโครงตะกั่วได้โดยตรงโดยไม่ต้องต่อลวดหรือบอร์ดพีซีภายในเพิ่มเติม (รูปที่ 4) เมื่อเทียบกับรูปแบบการก่อสร้างแบบเก่าที่ใช้พื้นผิวบอร์ดพีซีภายในหรือการเชื่อมลวดความยาวของการติดตามการเชื่อมต่อสามารถลดลงได้และการเชื่อมต่อโดยตรงกับส่วนประกอบแบบพาสซีฟช่วยให้ค่าความเหนี่ยวนำต่ำเพื่อลด EMI

รูปที่ 4: รูปแบบใหม่ของการก่อสร้างโดยใช้กรอบนำสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างกันมีข้อดีหลายประการ: EMI ได้รับการควบคุมที่ดีขึ้นการกระจายความร้อนดีขึ้นและขนาดฟุตปริ้นต์จะลดลง (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

การใช้รูปแบบแพ็คเกจแลนด์กริดอาเรย์ (LGA) ที่ยึดพื้นผิวโดยตรงกับบอร์ดพีซีเป้าหมายมีโปรไฟล์ EMI ที่ต่ำกว่าตัวแปลงรูปแบบ single-in-line (SIL) หรือ SIL package (SIP) ทางเลือกที่มีโอกาสในการขายที่สามารถแผ่ EMI ได้

โมดูล DC/DC ในตัวที่ตั้งโปรแกรมได้สี่เอาต์พุต

เพื่อตอบสนองความต้องการความหนาแน่นพลังงานสูงของระบบฝังตัวนักออกแบบสามารถหันไปใช้MPM54304 จากระบบ Monolithic Power (รูปที่ 5) MPM54304 เป็นโมดูลการจัดการพลังงานที่สมบูรณ์ซึ่งรวมตัวแปลง DC/DC แบบ step-down ประสิทธิภาพสูงสี่ตัว ตัวเหนี่ยวนำ และอินเทอร์เฟซลอจิกที่ยืดหยุ่น การทำงานในช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตตั้งแต่ 4 โวลต์ถึง 16 โวลต์ MPM54304 สามารถรองรับช่วงแรงดันไฟฟ้าขาออกตั้งแต่ 0.55 โวลต์ถึง 7 โวลต์ รางเอาต์พุตทั้งสี่สามารถรองรับกระแสได้ถึง 3 แอมแปร์ (A), 3 A, 2 A และ 2 A ราง 3 A สองรางและราง 2 A สองรางสามารถวางขนานกันเพื่อให้ 6 A และ 4 A ตามลำดับ นักออกแบบควรสังเกตว่ากระแสไฟขาออกสูงสุดในโหมดขนานถูกจำกัดด้วยการกระจายพลังงานทั้งหมด สิ่งนี้ให้ความยืดหยุ่นในการสร้างการกำหนดค่าเอาต์พุตหลายแบบ (ขึ้นอยู่กับข้อจำกัดการกระจายพลังงานทั้งหมด):

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

รูปที่ 5: MPM54304 เป็นโมดูลการจัดการพลังงานแบบ step-down อินพุต 4 โวลต์ถึง 16 โวลต์ที่สมบูรณ์ (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

MPM54304 ยังมีการจัดลำดับภายในสำหรับการเริ่มต้นและการปิดเครื่อง การกำหนดค่ารางและการจัดลำดับสามารถตั้งโปรแกรมล่วงหน้าโดย e-fuse ที่ตั้งโปรแกรมได้หลายเวลา (MTP) หรือผ่านทาง I²C บัส

ตัวแปลง DC/DC ควบคุมความถี่คงที่คงที่ตรงเวลา (COT) นี้ให้การตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็ว ความถี่การเปลี่ยน 1.5 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) เริ่มต้นช่วยลดขนาดตัวเก็บประจุภายนอกได้อย่างมาก นาฬิกาสวิตชิ่งถูกล็อคและเปลี่ยนเฟสจากบัค 1 เป็นบัค 4 ในระหว่างการทำงานของโหมดกระแสต่อเนื่อง (CCM) แรงดันไฟฟ้าขาออกสามารถปรับได้ผ่าน I²C บัสหรือที่ตั้งไว้ล่วงหน้าโดย e-fuse ของ MTP

คุณสมบัติการป้องกันเต็มรูปแบบ ได้แก่ การล็อคไฟตก (UVLO) การป้องกันกระแสเกิน (OCP) และการปิดระบบด้วยความร้อน MPM54304 ต้องการส่วนประกอบภายนอกจำนวนน้อยที่สุดและมีให้ในแพ็คเกจ LGA ที่ประหยัดพื้นที่ (7 mm x 7 mm x 2 mm) (รูปที่ 6) รายละเอียดต่ำของ LGA ทำให้เหมาะสำหรับการจัดวางด้านหลังบอร์ดหรือใต้ฮีทซิงค์

รูปที่ 6: แพ็คเกจ LGA ของ MPM54304 มอบโซลูชันขนาดกะทัดรัดและรายละเอียดต่ำพร้อม EMI ต่ำ (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบและจัดวาง

MPM54304 มีหมุดที่เรียบง่ายตามขอบทำให้เค้าโครงและการออกแบบบอร์ดพีซีง่ายขึ้น ความต้องการส่วนประกอบภายนอกเพียงห้าชิ้น โซลูชันทั้งหมดจึงมีขนาดเล็กและกะทัดรัด แพ็คเกจ LGA ช่วยให้ระนาบกราวด์แข็งครอบคลุมพื้นที่ส่วนใหญ่ใต้โมดูลซึ่งช่วยปิดลูปกระแสวนและลด EMI ได้มากขึ้น

ตัวแปลงแบบ step-down นี้มีกระแสอินพุตที่ไม่ต่อเนื่องและต้องใช้ตัวเก็บประจุเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้ากระแสสลับให้กับตัวแปลงในขณะที่รักษาแรงดันไฟฟ้าอินพุต DC นักออกแบบควรใช้ตัวเก็บประจุแบบ low-equivalent series resistance (ESR) เพื่อประสิทธิภาพที่ดีที่สุด แนะนำให้ใช้ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกที่มีไดอิเล็กทริก X5R หรือ X7R เนื่องจาก ESR ต่ำและค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิขนาดเล็ก สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ตัวเก็บประจุ 22 microfarad (µF) ก็เพียงพอแล้ว

รูปแบบบอร์ดพีซีที่มีประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำงานที่มั่นคงของ MPM54304 แนะนำให้ใช้บอร์ดพีซีสี่ชั้น เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดีขึ้น (รูปที่ 7) เพื่อผลลัพธ์ที่ดีที่สุดนักออกแบบควรปฏิบัติตามแนวทางเหล่านี้:

• ให้ห่วงไฟฟ้ามีขนาดเล็กที่สุด
• ใช้เครื่องบินภาคพื้นดินขนาดใหญ่เพื่อเชื่อมต่อโดยตรงกับ PGND หากเลเยอร์ด้านล่างเป็นระนาบกราวด์ให้เพิ่ม vias ใกล้ PGND
• ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเส้นทางกระแสสูงที่ GND และ VIN มีร่องสั้น ตรงและกว้าง
• วางคาปาซิเตอร์อินพุตเซรามิกให้ใกล้กับอุปกรณ์มากที่สุด
• รักษาตัวเก็บประจุอินพุตและ IN ให้สั้นและกว้างที่สุด
• วางตัวเก็บประจุ VCC ให้ใกล้กับหมุด VCC และ GND มากที่สุด
• เชื่อมต่อ VIN, VOUT และ GND กับพื้นที่ทองแดงขนาดใหญ่เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อนและความน่าเชื่อถือในระยะยาว
• แยกพื้นที่ GND อินพุตออกจากพื้นที่ GND อื่น ๆ ที่ชั้นบนสุดและเชื่อมต่อเข้าด้วยกันในเลเยอร์ภายในและเลเยอร์ล่างผ่านช่องทางต่าง ๆ
• ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีพื้นที่ GND ในชั้นภายในหรือชั้นล่างสุด
• ใช้จุดเชื่อมต่อหลายจุดเพื่อเชื่อมต่อเครื่องบินพลังงานกับเลเยอร์ภายใน

รูปที่ 7: แนะนำให้ใช้โครงร่างบอร์ดพีซีสี่ชั้นเมื่อใช้โมดูลกำลังขับสี่ชั้น MPM54304 (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

สรุป

เนื่องจากสถาปัตยกรรมการประมวลผลพัฒนาขึ้นเพื่อตอบสนองการใช้งานข้อมูลที่มีความต้องการสูงนักออกแบบจึงต้องเผชิญกับความท้าทายในการพัฒนาโซลูชันพลังงานหลายรางที่สามารถรองรับพลังการประมวลผลและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้นในรูปแบบที่เป็นแบบคงที่หรือแบบหดตัว ตัวแปลง DC/DC แบบ step-down เป็นส่วนประกอบที่สำคัญในการออกแบบโซลูชันด้านพลังงานสำหรับระบบเหล่านี้ แต่อาจมีความซับซ้อนในการนำไปใช้

ดังที่แสดงให้เห็นว่านักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้โมดูลตัวแปลง DC/DC แบบ step-down ที่มีรางจ่ายไฟหลายรางและการจัดลำดับโปรแกรมได้ทำให้กระบวนการออกแบบง่ายขึ้นและเร่งเวลาออกสู่ตลาด นอกจากนี้เทคนิคการก่อสร้างใหม่ที่เปิดใช้งานโมดูลที่มีอยู่ในตัวเหล่านี้มีข้อดีด้านประสิทธิภาพหลายประการ: EMI ได้รับการควบคุมที่ดีขึ้นการกระจายความร้อนดีขึ้นและขนาดรอยเท้าจะลดลง

การอ่านที่แนะนำ

1. ใช้โมดูลพลังงานที่ตั้งโปรแกรมได้เพื่อเร่งการออกแบบตัวควบคุม DC/DC