K napájení elektronických zařízeních se často používá DC/DC měnič typu Step-down. Step-down měnič postavený pomocí DC/DC měniče s řídícím integrovaným obvodem a interními nebo externími výkonovými MOSFETy, induktory a kondenzátory je složitý, velký a byl by zdrojem rušení EMI. Lze použít integrované programovatelné Step-down DC/DC moduly s více úrovněmi napětí, které málo vyzařují rušení, generují méně tepla a jejich velikost je mnohem menší. Tento článek se bude věnovat požadavky embedded zařízení na napájecí zdroj a poté představí DC/DC napájecí moduly od Monolithic Power Systems.

Proč embedded zařízení potřebují mnoho napájecích úrovní?

Základnové 5G stanice, které se používají v domácí i průmyslové automatizaci, autonomních vozidlech či zdravotnictví, obvykle vyžadují vstupní zdroj o velikosti 48V, který je posléze snížen pomocí DC/DC měniče na hodnotu 24V nebo 12V. Poté se z tohoto napětí vytváří napěťové úrovně od 3,3V do 0,8V k napájení ASIC, FPGA , DSP a další obvodů pro zpracování signálů. Tyto úrovně jsou často spouštěny a vypínány dle potřeby, a to ještě více komplikuje složitost napájecího zdroje. CPU samo o sobě není schopna splnit požadavky na zpracování signálu, a proto je nutné využít akcelerační karty s FPGA. Tím se zvyšují požadavky na napájecí zdroj (obrázek 1):

• Offset výstupního napětí: Odchylka výstupního napětí musí být menší než ± 3% a v návrhu by měla být ponechána dostatečná rezerva. Optimalizací řídicí smyčky pro zvýšení šířky pásma a zajištění její stability by měl být oddělovací kondenzátor pečlivě vybrán.
• Synchronizovaný náběh: Náběh všech napěťových úrovní musí být u všech úrovní stejné.
• Zvlnění výstupního napětí: V ustáleném stavu musí být zvlnění výstupního napětí na všech úrovních (kromě analogové napěťové úrovně) maximálně 10 mV.
• Časování: FPGA musí během spouštění a vypínání splňovat specifické požadavky na časování.

Obrázek 1: Výkonnost procesoru na kartách akcelerátoru se zvyšuje, a tím i její velikost. Na napájecí zdroj tak zbývá jen malý prostor. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Procesory vyžadují více proudu a energie, protože nároky na zpracování dat jsou stále větší. Nároky na rychlý výpočet s plovoucí desetinnou čárkou u karet akcelerátoru se také zvyšuje. Pro akcelerační karty se obvykle používá slot PCIe, takže velikost desky je daná. Zvyšující se požadovaný výkon proseru se odrazí v jeho větší velikosti a na napájecí zdroj zbyde jen malý prostor.

Výběr integrovaného napájecího zdroje

Napájecí zdroj postavený pomocí diskrétních součástek je složitý a časově náročný na doladění všech detailů. Problém bývá rozložení a umístění komponent filtrů, aby se snížilo vyzařované rušení EMI způsobené spínacími proudy v měniči a induktoru (obrázek 2).

Obrázek 2: Diskrétní řešení Step-down  DC / DC měniče obsahuje mnoho zdrojů EMI, které se musí ošetřit. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

DC/DC měnič generuje vedené emise EMI prostřednictvím magnetického pole z proudové smyčky vytvořené mezi spínacím tranzistorem MOSFET a vstupním kondenzátorem připojeným k zemi. Rovněž se generuje rušení z elektrického pole ze spínacího tranzistoru MOSFET připojeného k induktoru, který má vysoké dV / dt. Sám induktor je zdrojem elektromagnetického rušení. Nesprávně navržený design často vede k časově náročným laboratorním testům EMI a několika vývojovým cyklům, a to znamená zvýšení nákladů na celý vývoj.

Napájecí zdroje se čtyřmi úrovněmi pro napájení ASIC nebo FPGA řešen pomocí diskrétních součástek může zabírat plochu až 1220 mm² (obrázek 3). Pokud se použije integrovaný obvod pro řízení spotřeby PMIC, lze dosáhnout plochy okolo 350 mm². Pokud ale zvolíme samostatný čtyř výstupový převodník DC/DC dosáhneme obsazené plochy jen 121 mm² a zároveň dojde ke zjednodušení designu a zrychlení celého vývoje zařízení. Pokroky v polovodičových technologiích a konstrukci znamenají, že nejnovější generace DC/DC modulů dosahují vysokého výkonu, vysoké účinnosti, malé velikosti a velmi malého rušení EMI.

Obrázek 3: Použitím integrovaného DC/DC modulu se může ušetřit až 90% prostoru na desce ve srovnání s diskrétním řešením. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Nová konstrukční technika flip-chip a mesh-connect umožňuje umístit integrovaný obvod, induktor a ostatní pasivní prvky přímo na vodící rám bez přídavných spojů nebo další interní desky (obrázek 4). Krátké délky spojů a přímé připojení k pasivním součástkám se dosáhne nízká indukčnost, a tím dochází ke snížení rušení EMI.

Obrázek 4: Nová konstrukce využívající vodící rám pro propojení jednotlivých součástek snižuje EMI, snadno se celý obvod řídí, odvod tepla je jednodušší a dochází ke zmenšení celkové velikosti. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Pouzdro land grid array (LGA), které se umisťuje přímo na desku se dosáhne mnohem nižšího vyzařování EMI než pouzdro single-in-line package (SIP).

Programovatelné integrované moduly DC / DC se čtyřmi výstupy

Jedním z integrovaných DC/DC modulů je MPM54304 (obrázek 5). MPM54304 má v sobě integrované čtyři vysoce účinné převodníky DC/DC, induktory a logické rozhraní. Při rozsahu vstupního napětí 4V až 16V voltů jsou hodnoty výstupního napětí v rozmezí od 0,55V do 7V. Čtyři výstupy jsou schopny dodávat proudy 3 A, 3 A, 2 A a 2 A. Dva 3 A výstupy a dva 2A výstupy mohou být paralelně uspořádány tak, aby poskytovaly 6 A nebo 4A výstup. Je dobré mít na paměti, že maximální výstupní proud v paralelním režimu je omezen celkovým ztrátovým výkonem. Tímto způsobem lze dosáhnout několika výstupních konfigurací:

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

Obrázek 5: MPM54304 je kompletní modul pro správu napájení se čtyřmi výstupy a se vstupním napětím 4 V až 16 V. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

MPM54304 obsahuje funkci sekvenčního spouštění a vypínání. Tuto sekvenci lze předem naprogramovat pomocí programovatelné e-pojistky (MTP) nebo prostřednictvím sběrnice I²C.

Fixní frekvence zapnutí (constant on time - COT) poskytuje rychlou odezvu. Výchozí spínací frekvence 1,5 MHz výrazně snižuje velikost externího kondenzátoru. Spínací hodiny jsou během provozu v režimu nepřetržitého proudu (CCM) blokovány a fázově posunuty z buck 1 do buck 4. Mezi ochranné funkce patří podpěťové blokování (UVLO), nadproudová ochrana (OCP) a vypnutí při překročení určité teploty. MPM54304 vyžaduje minimální počet externích komponent a je dodáván v pouzdře LGA o velikosti 7 mm x 7 mm x 2 mm (obrázek 6). Nízký profil pouzdra LGA je vhodný pro umístění na zadní straně desky nebo přímo pod chladičem.

Obrázek 6: Pouzdro LGA MPM54304 poskytuje kompaktní nízkoprofilové řešení s nízkým EMI (zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Zásady pro návrh napájecího zdroje

MPM54304 má vývody podél okraje, a to usnadňuje rozložení a zjednodušuje design desky. Celé řešení napájecího zdroje je malé a vyžaduje pouze pět externích komponent. Pouzdro LGA umožňuje využít zemní rovinu pod čipem, která pomáhá uzavřít smyčky vířivých proudů, a tím snížit EMI. Tento Step-down měnič vyžaduje kondenzátor na vstupním napájení. Doporučuje se používat kondenzátory s nízkou hodnotou ESR. Keramické kondenzátory s dielektrikem X5R nebo X7R se doporučují kvůli jejich nízkým ESR a nízkým teplotním koeficientům. Pro většinu aplikací stačí kondenzátor s kapacitou 22 µF.

Efektivní rozložení desky je zásadním faktorem pro stabilní provoz MPM54304. K dosažení lepšího odvodu tepla se doporučuje použít čtyřvrstvou desku (obrázek 7). Pro dosažení nejlepší účinnosti je dobré dodržovat tyto zásady:

• Napájecí smyčka by měla být co nejmenší
• K připojení přímo k PGND použít velkou zemnící rovinu. Pokud je spodní vrstva zároveň zemní rovinou, je vhodné použít prokovy poblíž PGND.
• Vysokonapěťové cesty na GND a VIN by měly být krátké, přímé a široké
• Umístění keramického kondenzátoru na vstup co nejblíže k čipu
• Umístění kondenzátoru k pinům VCC a DNG co nejblíže k čipu
• VIN, VOUT a GND přivést k velké měděné ploše, aby se zlepšil tepelný odvod a zajistila se dlouhodobá spolehlivost
• Oddělení vstupní oblasti GND od ostatních oblastí GND v horní vrstvě a spojení těchto vrstev ve vnitřních vrstvách
• Pomocí několika prokovů připojení napájecích rovin k vnitřním vrstvám

Obrázek 7: Při použití modulu MPM54304 se doporučuje využít čtyřvrstvé desky. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Závěr

Dnešní elektronika je plná komponent, které potřebují několik úrovní napětí. Prostor pro napájecí zdroj je omezený, a tak je vhodné použít integrovaný Step-down měnič, který zjednodušuje celý design a snižuje rušení EMI. Tyto obvody jsou malé a mají i lepší odvod tepla. Tím není nutné použití velkých chladičů.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.