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使用集成的降压型DC / DC模块实现高密度,低EMI的高效电源转换

來源: 作者: 發布日期:2020-11-27

 隨著電子設備集成度和擴散水平的提高,設計人員承受著不斷提高壓力的壓力,以提高效率,同時降低成本,尺寸和電磁幹擾(EMI)。盡管電源的功率密度和效率有所提高,但設計人員現在也面臨著爲異構處理架構開發多軌電源解決方案的挑戰,這些架構可能包括ASIC,DSP,FPGA和微控制器的混合。

 
传统上使用降压型DC / DC转换器为此类架构供电,但是随着电源轨的数量不断增加,传统的分立式降压型DC / DC转换器与控制IC和内部或外部功率MOSFET以及外部电感器一起使用和电容器-可能很复杂且耗时。取而代之的是,设计人员可以使用具有多个电源轨和可编程顺序的自包含降压型DC / DC转换器模块,以更好地控制EMI,产生的热量更少,占用空间更小。
 
本文将介绍嵌入式设计的电源系统需求,并讨论各种方法以及设计人员需要考虑的因素,然后再介绍自包含的降压型DC / DC模块。然后,它将使用Monolithic Power Systems的示例设备来简要回顾设计人员需要记住的設計和布局注意事項,以非常大程度地发挥这些模块的性能优势。
 
爲什麽嵌入式系統需要許多電源軌
诸如5G基站之类的嵌入式设计旨在支持智能手机和智能连接设备在家庭和工业自动化,自动驾驶汽车,医疗保健和智能可穿戴设备等应用中不断增长的数据量要求。此类基站通常使用48伏输入电源,该输入电源由DC / DC转换器降压至24伏或12伏,然后进一步降压至范围从3.3伏至不到1伏的许多子轨,以为ASIC,FPGA供电,DSP和其他设备处于基带处理阶段。通常,电源轨需要按顺序进行启动和关闭,这进一步增加了设计人员的电源系统复杂性。
 
以5G基站爲例,傳統的CPU本身已無法滿足處理要求。但是,將加速卡與FPGA一起使用具有系統可重新配置性,靈活性,開發周期短,高度並行計算和低延遲的優點。但是,FPGA電源的可用空間正在縮小,並且電源軌性能要求也很複雜(圖1):
 
輸出電壓偏移:電壓軌的輸出電壓偏移必須小于±3%,設計中應留有足夠的余量。通過優化控制環路以增加帶寬並確保其穩定性,去耦電容器應謹慎使用和設計。
單調啓動:所有電壓軌的啓動必須單調上升,並且設計應防止輸出電壓返回其初始值。
輸出電壓紋波:在穩態操作中,所有電壓軌(模擬電壓軌除外)的輸出電壓紋波必須非常大爲10毫伏(mV)。
時序:在啓動和關閉期間,FPGA必須滿足特定的時序要求。
由于不断增长的计算需求,加速卡上的处理器尺寸增加了
圖1:由于不斷增長的計算需求,加速卡上的處理器尺寸增加了,幾乎沒有電源供應空間。
 
隨著數據處理帶寬需求變得越來越苛刻,處理器需要更多的電流和功率。加速卡的計算密度和浮點速度要求也變得越來越難以爲工業所滿足。加速卡插槽通常是PCIe標准化的,因此板的尺寸是固定的。由于不斷增長的計算需求,處理器的尺寸已經增加,爲電源留出的空間很小。
 
電力系統設計替代方案
将传统的离散降压型DC / DC转换器与控制IC和内部或外部功率MOSFET以及外部电感器和电容器一起使用是嵌入式系统供电的一种方法。如上所述,对于需要多轨电源解决方案的设计人员来说,这是一个复杂且耗时的过程。除了考虑效率非常大化和解决方案尺寸非常小化之外,设计人员还必须注意滤波器组件的布局和布置,以非常小化转换器和电感器电路中的开关电流所引起的传导和辐射EMI(图2)。
分立的降压型DC / DC转换器
图2:分立的降压型DC / DC转换器具有设计人员必须管理的多个EMI源。
 
DC / DC转换器通常会通过磁场产生传导性EMI,该磁场来自形成在输出功率MOSFET开关节点与地之间以及输入电容器与地之间的电流环路。它们还从MOSFET开关节点到电感器连接之间产生辐射电场EMI,该辐射电场dV / dt高,因为它不断从高输入电压电平切换到地,并从电感器内部产生的电磁场中产生。无法正确设计往往会导致耗时的EMI实验室重新测试和多次设计迭代。
 
使用分立的降压DC / DC转换器为ASIC或FPGA供电的四轨解决方案可占用1220平方毫米(mm 2)(图3)。使用基于电源管理IC(PMIC)的解决方案,该尺寸可以减小到约350 mm 2。作为替代方案,设计人员可以使用独立的四路输出DC / DC转换器模块将解决方案尺寸减小到仅121 mm 2,同时还可以简化设计过程并加快产品上市时间。半导体工艺技术和封装结构的进步意味着非常新一代的DC / DC模块以很小的尺寸实现了非常高的功率密度,高效率和良好的EMI性能。
使用集成的DC / DC模块解决方案
图3:与分立解决方案相比,使用集成的DC / DC模块解决方案可以节省多达90%的电路板空间。
 
新的构造技术,例如封装内倒装芯片和“网格连接”引线框架技术,意味着可以将IC,电感器和无源器件直接安装到引线框架上,而无需引线键合或额外的内部pc板(图4)。 )。与使用内部印刷电路板基板或引线键合的旧式结构相比,可将连接走线的长度减至非常少,并且直接连接至无源元件可使电感保持较低,从而将EMI降至非常低。
采用引线框架进行互连的新型结构
圖4:采用引線框架進行互連的新型結構具有許多優點:可以更好地控制EMI,改善散熱,並減小占位面積。
 
與可直接輻射至EMI的引線的替代單列直插式(SIL)或SIL封裝(SIP)樣式的轉換器相比,使用直接表面安裝至目標PCB的焊盤柵格陣列(LGA)封裝格式可降低EMI分布。
 
四路输出可编程集成DC / DC模块
 
为了满足嵌入式系统的多轨,高功率密度需求,设计人员可以求助于MPM54304来自Monolithic Power Systems(图5)。MPM54304是一个完整的电源管理模块,集成了四个高效,降压型DC / DC转换器,电感器和灵活的逻辑接口。MPM54304可在4伏至16伏的输入电压范围内工作,可支持0.55伏至7伏的输出电压范围。四个输出轨可支持高达3安培(A),3 A,2 A和2 A的电流。两个3 A轨和两个2 A轨可并联以分别提供6 A和4A。设计人员应注意,并联模式下的非常大输出电流也受到总功耗的限制。这提供了生成几种输出配置的灵活性(受总功耗限制):
 
3 A,3 A,2 A,2 A
3 a,3 A,4 A
6 A,2 A,2 A
6 A,4 A
MPM54304是完整的4V至16V输入四路输出降压型电源管理模块
圖5:MPM54304是完整的4V至16V輸入四路輸出降壓型電源管理模塊。
 
MPM54304还为启动和关闭提供内部排序。轨道配置和排序可以通过多次可编程(MTP)电子保险丝或通过I 2 C总线进行预编程。
 
该固定频率恒定导通时间(COT)控制DC / DC转换器可提供快速的瞬态响应。其默认的1.5兆赫兹(MHz)开关频率大大减小了外部电容器的尺寸。在连续电流模式(CCM)工作期间,开关时钟被锁定,并从buck 1降到buck 4。输出电压可通过I 2 C总线调节,或通过MTP电子保险丝预置。
 
全面的保护功能包括欠压锁定(UVLO),过流保护(OCP)和热关机。MPM54304所需的外部组件数量非常少,并采用节省空间的LGA(7 mm x 7 mm x 2 mm)封装提供(图6)。LGA的低矮外形使其适合于板后放置或散热器下方。
MPM54304的LGA封装
圖6:MPM54304的LGA封裝提供了一種緊湊且小巧的解決方案,具有低EMI
 
設計和布局注意事項
MPM54304的邊緣具有簡單的引腳排列,使布局和PCB設計更加容易。只需五個外部組件,整個解決方案便小而緊湊。LGA封裝允許堅固的接地層覆蓋模塊下方的大部分區域,這有助于閉合渦流環路並進一步降低EMI。
 
該降壓轉換器具有不連續的輸入電流,並且需要一個電容器來向轉換器提供交流電流,同時保持直流輸入電壓。設計人員應使用低等效串聯電阻(ESR)電容器來獲得非常佳性能。推薦使用具有X5R或X7R電介質的陶瓷電容器,因爲它們的ESR低且溫度系數小。對于大多數應用,使用22微法拉(µF)電容器就足夠了。
 
高效的印刷電路板布局對于MPM54304的穩定運行至關重要。建議使用四層印刷電路板以獲得更好的散熱性能(圖7)。爲了獲得非常佳結果,設計人員應遵循以下准則:
 
保持電源環路盡可能小
請使用較大的接地層直接連接至PGND。如果底層是接地層,則在PGND附近添加過孔。
確保GND和VIN處的大電流路徑走線短,直且寬
陶瓷輸入電容器應盡可能靠近器件放置
輸入電容和IN應盡可能短而寬
將VCC電容器放置在盡可能靠近VCC和GND引腳的位置
將VIN,VOUT和GND連接到大面積的銅上以改善熱性能和長期可靠性
將輸入GND區域與頂層上的其他GND區域分開,並通過多個過孔將它們在內部層和底層上連接在一起
確保內部層或底層上有集成的GND區域
使用多個過孔將電源層連接到內部層
使用MPM54304四路输出电源模块
圖7:使用MPM54304四路輸出電源模塊時,建議使用四層印刷電路板布局。
 
結論
随着处理体系结构的发展以解决苛刻的数据应用需求,设计人员面临着开发多轨电源解决方案的挑战,该解决方案可以支持静态或收缩形式的增加的处理能力和电子设备。降压DC / DC转换器是为这些系统设计电源解决方案的关键组件,但实现起来可能很复杂。
 
如图所示,设计人员可以使用具有多个电源轨和可编程序列的自包含降压型DC / DC转换器模块,从而简化了设计过程并加快了上市时间。同样,使这些独立模块成为可能的新构造技术具有许多性能优势:更好地控制了EMI,改善了散热,并减小了占地面积。

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