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使用集成的降壓型DC / DC模塊實現高密度,低EMI的高效電源轉換

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,尺寸和電磁干擾(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為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。Drz金屬管浮子流量計_金屬轉子流量計_玻璃管轉子流量計 - 淮安市三暢儀表有限公司

 
傳統上使用降壓型DC / DC轉換器為此類架構供電,但是隨著電源軌的數量不斷增加,傳統的分立式降壓型DC / DC轉換器與控制IC和內部或外部功率MOSFET以及外部電感器一起使用和電容器-可能很復雜且耗時。取而代之的是,設計人員可以使用具有多個電源軌和可編程順序的自包含降壓型DC / DC轉換器模塊,以更好地控制EMI,產生的熱量更少,占用空間更小。
 
本文將介紹嵌入式設計的電源系統需求,并討論各種方法以及設計人員需要考慮的因素,然后再介紹自包含的降壓型DC / DC模塊。然后,它將使用Monolithic Power Systems的示例設備來簡要回顧設計人員需要記住的設計和布局注意事項,以非常大程度地發揮這些模塊的性能優勢。
 
為什么嵌入式系統需要許多電源軌
諸如5G基站之類的嵌入式設計旨在支持智能手機和智能連接設備在家庭和工業自動化,自動駕駛汽車,醫療保健和智能可穿戴設備等應用中不斷增長的數據量要求。此類基站通常使用48伏輸入電源,該輸入電源由DC / DC轉換器降壓至24伏或12伏,然后進一步降壓至范圍從3.3伏至不到1伏的許多子軌,以為ASIC,FPGA供電,DSP和其他設備處于基帶處理階段。通常,電源軌需要按順序進行啟動和關閉,這進一步增加了設計人員的電源系統復雜性。
 
以5G基站為例,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,高度并行計算和低延遲的優點。但是,FPGA電源的可用空間正在縮小,并且電源軌性能要求也很復雜(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并確保其穩定性,去耦電容器應謹慎使用和設計。
單調啟動:所有電壓軌的啟動必須單調上升,并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為10毫伏(mV)。
時序:在啟動和關閉期間,FPGA必須滿足特定的時序要求。
由于不斷增長的計算需求,加速卡上的處理器尺寸增加了
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為工業所滿足。加速卡插槽通常是PCIe標準化的,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,為電源留出的空間很小。
 
電力系統設計替代方案
將傳統的離散降壓型DC / DC轉換器與控制IC和內部或外部功率MOSFET以及外部電感器和電容器一起使用是嵌入式系統供電的一種方法。如上所述,對于需要多軌電源解決方案的設計人員來說,這是一個復雜且耗時的過程。除了考慮效率非常大化和解決方案尺寸非常小化之外,設計人員還必須注意濾波器組件的布局和布置,以非常小化轉換器和電感器電路中的開關電流所引起的傳導和輻射EMI(圖2)。
分立的降壓型DC / DC轉換器
圖2:分立的降壓型DC / DC轉換器具有設計人員必須管理的多個EMI源。
 
DC / DC轉換器通常會通過磁場產生傳導性EMI,該磁場來自形成在輸出功率MOSFET開關節點與地之間以及輸入電容器與地之間的電流環路。它們還從MOSFET開關節點到電感器連接之間產生輻射電場EMI,該輻射電場dV / dt高,因為它不斷從高輸入電壓電平切換到地,并從電感器內部產生的電磁場中產生。無法正確設計往往會導致耗時的EMI實驗室重新測試和多次設計迭代。
 
使用分立的降壓DC / DC轉換器為ASIC或FPGA供電的四軌解決方案可占用1220平方毫米(mm 2)(圖3)。使用基于電源管理IC(PMIC)的解決方案,該尺寸可以減小到約350 mm 2。作為替代方案,設計人員可以使用獨立的四路輸出DC / DC轉換器模塊將解決方案尺寸減小到僅121 mm 2,同時還可以簡化設計過程并加快產品上市時間。半導體工藝技術和封裝結構的進步意味著非常新一代的DC / DC模塊以很小的尺寸實現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模塊解決方案
圖3:與分立解決方案相比,使用集成的DC / DC模塊解決方案可以節省多達90%的電路板空間。
 
新的構造技術,例如封裝內倒裝芯片和“網格連接”引線框架技術,意味著可以將IC,電感器和無源器件直接安裝到引線框架上,而無需引線鍵合或額外的內部pc板(圖4)。 )。與使用內部印刷電路板基板或引線鍵合的舊式結構相比,可將連接走線的長度減至非常少,并且直接連接至無源元件可使電感保持較低,從而將EMI降至非常低。
采用引線框架進行互連的新型結構
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,并減小占位面積。
 
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。
 
四路輸出可編程集成DC / DC模塊
 
為了滿足嵌入式系統的多軌,高功率密度需求,設計人員可以求助于MPM54304來自Monolithic Power Systems(圖5)。MPM54304是一個完整的電源管理模塊,集成了四個高效,降壓型DC / DC轉換器,電感器和靈活的邏輯接口。MPM54304可在4伏至16伏的輸入電壓范圍內工作,可支持0.55伏至7伏的輸出電壓范圍。四個輸出軌可支持高達3安培(A),3 A,2 A和2 A的電流。兩個3 A軌和兩個2 A軌可并聯以分別提供6 A和4A。設計人員應注意,并聯模式下的非常大輸出電流也受到總功耗的限制。這提供了生成幾種輸出配置的靈活性(受總功耗限制):
 
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輸入四路輸出降壓型電源管理模塊
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還為啟動和關閉提供內部排序。軌道配置和排序可以通過多次可編程(MTP)電子保險絲或通過I 2 C總線進行預編程。
 
該固定頻率恒定導通時間(COT)控制DC / DC轉換器可提供快速的瞬態響應。其默認的1.5兆赫茲(MHz)開關頻率大大減小了外部電容器的尺寸。在連續電流模式(CCM)工作期間,開關時鐘被鎖定,并從buck 1降到buck 4。輸出電壓可通過I 2 C總線調節,或通過MTP電子保險絲預置。
 
全面的保護功能包括欠壓鎖定(UVLO),過流保護(OCP)和熱關機。MPM54304所需的外部組件數量非常少,并采用節省空間的LGA(7 mm x 7 mm x 2 mm)封裝提供(圖6)。LGA的低矮外形使其適合于板后放置或散熱器下方。
MPM54304的LGA封裝
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并進一步降低EMI。
 
該降壓轉換器具有不連續的輸入電流,并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,因為它們的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)。為了獲得非常佳結果,設計人員應遵循以下準則:
 
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,并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MPM54304四路輸出電源模塊
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
隨著處理體系結構的發展以解決苛刻的數據應用需求,設計人員面臨著開發多軌電源解決方案的挑戰,該解決方案可以支持靜態或收縮形式的增加的處理能力和電子設備。降壓DC / DC轉換器是為這些系統設計電源解決方案的關鍵組件,但實現起來可能很復雜。
 
如圖所示,設計人員可以使用具有多個電源軌和可編程序列的自包含降壓型DC / DC轉換器模塊,從而簡化了設計過程并加快了上市時間。同樣,使這些獨立模塊成為可能的新構造技術具有許多性能優勢:更好地控制了EMI,改善了散熱,并減小了占地面積。

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