הספקת-כוח לעומסים קריטיים עם תקינות ונצילות גבוהות ועם השפעה מינימלית על המקום על הלוח

שרתי ביג דאטה, כמו גם יישומים כגון למידת מכונה, בינה מלאכותית (AI), תאי 5G‏, IoT‏ ומיחשוב ברמת הארגון (Enterprise) דורשים לרוב רכיבי FPGA‏, ASIC‏, GPU‏ ו- CPU‏ רבי-עוצמה הדורשים זרמים גבוהים במתח נמוך וצפיפות הספק גבוהה בחתימות-שטח קומפקטיות. כדי להבטיח את תקינות הספקת-הכוח הכוללת של המערכת, משתמשים במערכות ניהול הספקת-כוח מבוזרת המביאות מקורות הספקת-כוח DC/DC ישירות לנקודות העומס (POL), כלומר, למעבדים עם ביצועים עיליים. יכולים להיות ממירי הספקת-כוח DC/DC רבים כאלה על לוח אחד, כך שהבעיה העומדת בפני המתכננים היא הפיכת התקנים אלו לקטנים ככל האפשר כדי לחסוך מקום בלוח. יחד עם זאת, הם צריכים לעמוד בדרישות הביצועים, שיהוי (Latency‏), פיזור חום, נצילות ואמינות, ובמקביל לפשט את תהליך התכנון ולהוריד עלויות.

הפתרון למטריצת בעיות זו משלב מוליכים-למחצה ורכיבים פסיביים עם ביצועים עיליים תוך שימוש בטכנולוגיות מארזים מתקדמות למימוש רמות גבוהות יותר של אינטגרציית המערכת. הוכח כי זה משיג גודל קטן יותר בפרופיל נמוך יותר בהשוואה לטכנולוגיות אחרות הזמינות כיום תוך שיפור הניהול התרמי. יחד עם זאת, הגישה המשולבת מגבילה את עלויות התכנון, כולל ניהול המלאי וזמן הפיתוח.

מאמר זה דן בצורך ברשתות הספקת-כוח מבוזרות ובתפקידם של התקני הספקת-כוח POL. לאחר מכן הוא מציג סוג של ממירי POL DC/DC מבית TDK Corporation‏ המשתמשים בטכניקות מארזים מתקדמות כדי להשיג את מאפייני הביצועים הנדרשים. המאמר גם דן בתכונות הבולטות שלהם ומראה כיצד המתכננים יכולים להתקין אותם כדי לעמוד בהצלחה בדרישות הספקת-הכוח בנקודות-העומס (POL‏) שלהם.

מדוע להשתמש במקורות הספקת-כוח של ממירי DC/DC‏ POL‏

מחשבים, שרתים וציוד דיגיטלי אחר משתמשים יותר ויותר ברכיבי FPGA, ASIC והתקני IC מתקדמים אחרים הדורשים מספר מתחי הספקת-כוח שאינם זמינים מספק-הכוח של המערכת. בנוסף, הם דורשים את המתחים האלה ברצף מתוזמן בסדר הנכון עם שיהוי (Latency‏) מינימלי. ספקי-הכוח של המערכת מספקים בדרך כלל מספר מתחים קבועים כמו 1, 3.3 ו- 5 וולט. FPGA טיפוסי דורש מתחים בתחום של 1.2 עד 2.5 וולט (איור 1).

איור 1: FPGA טיפוסי דורש מספר מתחים המוקדשים לפונקציות ספציפיות בתוך המעבד. המעבד המוצג משתמש בשמונה כניסות הספקת-כוח ייעודיות תוך שימוש בשלושה מתחים שונים. (מקור התמונה: Art Pini)

FPGA דורש לכל הפחות הספקת-כוח נפרדת עבור חלקי הליבה וה- I/O‏ שלו. ה- FPGA בדוגמה פועל עם הליבה ב- 1.2 וולט וה- I/O מתפקד ב- 2.5 וולט. בנוסף, הוא דורש שש רמות הספקת-כוח נוספות עבור מעגלי העזר שלו. ברור ששבעה מקורות הספקת-כוח בקרבה צמודה ל- FPGA מעמיסים את תכנון פרישת לוח המעגלים המודפסים. יש לקחת בחשבון גם את נושא פיזור החום, המחייב את מקורות הספקת-הכוח להיות קטנים ויעילים.

טכנולוגיה מוגנת-פטנט משיגה שילוב מערכות ייחודי

כדי לעמוד בדרישת הגודל, חברת TDK פיתחה תכן קנייני עבור ממירי POL DC/DC המוותר על פרישת רכיבים בדידים זה לצד זה. במקום זאת, התכן משתמש באינטגרציית 3D‏ המבוססת על טכנולוגיית מערכת-בתוך-מארז (SiP‏) מסוג Semiconductor Embedded in SUBstrate‏ (SESUB‏). מוליכים-למחצה עם ביצועים עיליים המשלבים בקר אפנון רוחב פולס (PWM‏) ורכיבי MOSFET‏ משובצים בתוך מצע לוח מעגלים מודפסים של 250 מיקרומטר (µm‏), ויוצרים ממיר מוריד-מתח (Buck‏). משרן וקבלי היציאה של המעגל משולבים גם הם בתוך פרישת 3D‏ היוצרת מארז אולטרה-קומפקטי משופר תרמית (איור 2‏).

איור 2: טכנולוגיית SESUB מוגנת-פטנט משלבת מעגל-משולב (IC‏) ורכיבי MOSFET‏ של בקר הספקת-כוח מתקדם בתוך מצע בעובי של µm‏ 250‏, ביחד עם משרן וקבלי היציאה של המעגל כדי ליצור מודול ממיר DC/DC‏ משולב ביותר. (מקור התמונה: TDK Corporation)

פיתרון הספקת-כוח POL‏ ייחודי

לחברת TDK יש SESUB כבסיס לקו ה- μPOL‏ (מבוטא "מיקרו-POL") שלה של מודולי הספקת-כוח DC/DC זעירים. עם הציון של דגמי FS140x-xxxx-xx‏, משפחת המוצרים מגיעה עם 19 בחירות של רמות מתחי יציאה של 5, 3.3, 2.5, 1.8, 1.5, 1.2, 1.1, 1.05, 1, 0.9, 0.8, 0.75, 0.7, ו- 0.6 וולט. הם תומכים בזרמי עומס רצופים של בין 3 ל- 6 אמפר (A) בהתאם לדגם ומגיעים במארז בגודל של ‎3.3 x 3.3 x 1.5 מילימטרים (מ"מ) (איור 3).

איור 3: ממיר μPOL DC/DC הוא בגודל של ‎3.3 x 3.3 x 1.5 מ"מ בלבד, אך יכול לטפל בעד 15 וואט. (מקור התמונה: TDK Corporation)

הודות לתכן הפיזי הייחודי שלה, משפחת ממירי DC/DC זו יכולה לספק צפיפות הספק של עד 1 וואט למ"מ³, המאפשרת למארז קטן זה לטפל בעד 15 וואט.

מתחי יציאה נומינליים מוגדרים במפעל עם טולרנס של %‏0.5‏±. כלול גם ממשק I²C המאפשר בקרה מקומית של הממיר. את מתחי היציאה ניתן לכוונן בצעדים של 5‏± מילי-וולט (mV‏) סביב המתח הנונמינלי שהוגדר מראש.

מבט פנימה לתוך ממיר μPOL‏ FS1406‏

דיאגרמת הבלוקים הפונקציונליים של ממיר DC/DC‏ 1.8 וולט FS1406-1800-AL‏ מראה שלמרות גודלו הזעיר, ההתקן עמוס בהרבה פונקציות מעגלים מתוחכמות (איור 4).

איור 4: דיאגרמת הבלוקים הפונקציונליים של ממיר DC/DC‏ FS1406-1800-AL המציגה את סדר גודל התחכום של המעגלים, כולל יציאת PWM פנימית, יציאת I²C, לוגיקת בקרה ורכיבי ה- MOSFET‏ של היציאה. (מקור התמונה: TDK Corporation)

ל- FS1406-1800-AL יש יציאה נומינלית של 1.8 וולט ויכולת עומס רצוף של A‏ 6‏. מתח היציאה שלו ניתן-לתכנות באמצעות I²C מ- 0.6 עד 2.5 וולט. הוא דורש מתח כניסה של 4.5 עד 16 וולט ויש לו תחום טמפרטורות פעולה מוגדר מ- 40°C- עד 125°C+.

הלב של ממיר DC/DC זה הוא מודולטור PWM הקנייני המתוכנן כדי לתת תגובה מהירה לטרנזיינטיים. מודולטור PWM פועל בתדר מיתוג שהוא פרופורציונלי למתח היציאה של הממיר. הוא כולל קיזוז יציבות פנימי המתאם אותו למגוון של סוגי קבלי יציאה ללא צורך ברשתות קיזוז חיצוניות, מה שהופך אותו להתקן 'הכנס-והפעל'. יציאת ה- PWM של המודולטור דוחפת את מעגל השער עבור התקני ההספק MOSFET. משרן מסנן היציאה, כאמור, כלול בתוך המארז, ומקטין עוד יותר את מספר הרכיבים החיצוניים הנדרשים.

שימו לב שה- FS1406 כולל מייצב מתח פנימי (LDO) הפועל על כ- 5.2 וולט כדי להזין את המעגלים הפנימיים ואת רכיבי MOSFET‏.

כמו כן, על המתכננים לשים לב למאפייני ההגנה המובנים הכוללים הגנת אתחול-רך, קו סטטוס 'הספקת-כוח תקינה (Power Good)', הגנת מתח-יתר, אתחול קדם-ממתח, כיבוי תרמי עם התאוששות-אוטומטית והגנת זרם-יתר עם קיזוז תרמי עם אופן Hiccup‏. אופן Hiccup מכבה את הספקת-הכוח לפרק זמן קבוע אם מתגלה אירוע זרם-יתר, וחוזר על רצף התזמון עד להסרת התקלה.

ממשק I²C משמש להגדרת מתח היציאה. הוא גם מאפשר להגדיר את פרמטרי האופטימיזציה של המערכת, כולל אלה עבור פונקציות האתחול וההגנה.

יישום טיפוסי

משפחת FS1406 היא משולבת במלואה, מוגדרת במפעל למתח היעד שצוין לה וחוסכת את הצורך במחלק מתח היציאה. התכן אכן דורש תוספת של קיבוליות יציאה מינימלית כדי להבטיח אדוות יציאה וייצוב עומס סבירים. הוא גם דורש קבל כניסה על מנת לטפל בדרישת זרם הכניסה שלו. תוספות רכיבי המעגל המינימליים הנדרשים מוצגות באיור 5‏.

איור 5: ביישום טיפוסי, משפחת ממירי DC/DC‏ μPOL‏ FS1406‏ דורשת, לכל הפחות, רק תוספת של קבלי הכניסה והיציאה. (מקור התמונה: TDK Corporation)

קבלי הכניסה והיציאה חייבים להיות עם התנגדות טורית אקוויוולנטית נמוכה. קבלים קרמיים רבי-שכבות הם המומלצים. גיליון הנתונים של ה- FS1406 מספקים הנחיות מפורטות לגבי חישוב ערכי קיבוליות הן הכניסה והן היציאה.

לוחות הערכה עוזרים למתכננים בצעדים הראשונים

לוח ההערכה עבור גרסת ה- 1.8 וולט של ממיר μPOL הוא ה- EV1406-1800A‏ המספק תכן לממיר DC/DC עם יציאה של 1.8 וולט ומקור כניסה של 12 וולט. הוא מספק זרם יציאה של 0 עד 6 אמפר ומידותיו הן ‎63 x 84 x 1.5 מ"מ (איור 6).

איור 6: לוח ההערכה EV1406-1800A שמידותיו הן ‎63 x 84 x 1.5 מ"מ; ממיר ה- μPOL DC/DC מודגש בצהוב ונותן פרספקטיבה מסוימת על גודלו הזעיר. (מקור התמונה: TDK Corporation)

הגודל ויכולת הספקת-הכוח של ה- µPOL מאפשרים לכמה מהתקנים אלה להתאים בקלות סביב FPGA או ASIC. ללוח ההערכה, בנוסף לדוגמאות התכן שהוא מספק, יש מיקומי רכיבי חור-עובר פתוחים עבור ניסויי המשתמשים עם ערכי קיבוליות הכניסה והיציאה. יש לו גם פס-פינים עבור בחירת הספקת ממתח פנימי מה- FS1406-1800 או ממקור מתח חיצוני. פס-פינים נוסף מעניק גישה קלה לממשק I²C‏.

דונגל תכנות I²C

כעזר לתכנון, חברת TDK מציעה את לוח תכנות I²C‏ TDK-MICRO-POL-DONGLE‏ המשמש לשינוי מתח היציאה בצעדים של mV‏ 5‏±. הוא גם מאפשר תכנות של פרמטרי הגנת המערכת. הדונגל עובד עם חבילת תוכנת GUI חינמית המסופקת על ידי TDK, המקלה על כוונון הממיר.

סיכום

עבור מתכננים הדורשים הספקת כוח POL אמינה, עם תקינות גבוהה והשפעה מינימלית על שטח הלוח, קו ה- μPOL מבית TDK של 19 ממירי DC/DC מספק פתרון מתאים במגוון רחב של יישומים. המשפחה תומכת בארבע-עשרה רמות מתח יציאה נפוצות, כאשר כל אחת מהן ניתנת לכוונון בצעדים של mV‏ 5‏± באמצעות נקודת-חיבור I²C. המבנה הייחודי על בסיס SESUB המוגן בפטנט של ה- µPOL מעניק צפיפות הספק גבוהה עם רכיבי תמיכה מינימליים.