כיצד לספק כוח עבור FPGAs ו-ASICs בגורם צורה קטן, בצפיפות גבוהה ורעש נמוך

ICs דיגיטליים עם דרישות זרם גבוה, כגון FPGAs ו-ASICs, נמצאים יותר ויותר במרכזן של מערכות משובצות עבור יישומים כגון רכב, רפואה, טלקום, תעשייה, משחקים ואודיו/וידאו לצרכנים. רבים מהיישומים הללו הם קריטיים-למשימה כמו מערכות סיוע לנהגי רכב (ADAS), ואמינות גבוהה במרכזי נתונים.

בנוסף לדרישות הזרם, להתקני מתח נמוך אלו יש מפרטי טולרנס צר עבור פסי הספקת-הכוח שלהם. הספקת-כוח זו עם נצילות, דיוק, ביצועי טרנזיינטים מהירים, יציבות ורעש נמוך היא קריטית עבור ביצועי המערכת ותקינותה.

בבקרי מייצבים ממותגים קונבנציונליים ובתת-מערכות הספקת-כוח תיתכנה בעיות רעש, הן בפסי היציאה והן כהפרעות אלקטרומגנטיות מוקרנות (EMI), הפרעות בתדר רדיו (RFI), תגובה לא-מספקת לטרנזיינטים ומגבלות פריסה. כדי למזער את הרעש, יישומים מסוימים משתמשים במייצבים עם מפל-מתח נמוך (LDO) קטנים ושקטים המציעים נצילות משופרת בהשוואה ל-LDOs קודמים. אף על פי כן, אפילו LDOs אלה בדרך כלל אינם יכולים לעמוד בדרישות נצילות המערכת, ומחייבים התייחסות לפיזור תרמי.

האלטרנטיבה היעילה ל-LDO היא מייצב ממותג, אך להתקנים אלו יש רעש גבוה יותר אינהרנטית עקב השעון ופונקציית המיתוג שלהם. יש להפחית רעש זה אם המתכננים רוצים לנצל את יתרונות התקני המיתוג הללו במלואם.

למרבה המזל, יש דרכים חדשות לאזן בין הרעש לבין הנצילות. מאמר זה בוחן את החידושים האחרונים בתכנון המרת הספק שלהם נצילות גבוהה ודרישות מקום מינימליות, כמו גם רעש מייצב ממותג מופחת בהרבה. המאמר בוחן כיצד מייצבים ממותגים חדשניים יכולים לעמוד במספר יעדים עבור עומסים במתח חד-ספרתי ותחום זרמים מתחת ל-10 אמפר (A), ומציג כדוגמאות את ה-Silent Switcher ICs הזעירים של משפחות LTC33xx‏ של Analog Devices‏.

אילוצי הזרם/מתח

כאשר טרנזיסטורים ו-ICs הומצאו והתפתחו במחצית השנייה של המאה ה-20, בין סגולותיהם הרבות היו שדרישות ההספק עבור כל פונקציה היו נמוכות מאוד בהשוואה לשפופרות הוואקום שאותן הם החליפו - בפקטור של 100 או יותר, לכל הפחות. עם זאת, התפתחות זו הובילה עד מהרה לצפיפות גבוהה יותר של פונקציות לכל התקן ולוח מעגלים, עד כדי כך ש-ICs‏ דורשים כעת עשרות אמפר לכל פס, ולעתים קרובות במספר פסים.

בין ה-ICs שדורשים זרמים גבוהים אלה, החייבים בסופו של דבר לפזר את הכמויות הגבוהות של ההספק הקשור כחום, הם מערכי שערים ניתנים-לתכנות בשטח (FPGAs) ו-ICs ספציפיים-ליישום (ASICs‏). שניהם נמצאים בשימוש נרחב בהתקנים משובצים המתפרשים על כל תעשיית האלקטרוניקה, כולל רכב, רפואה, תעשייה, תקשורת, משחקים ומכשירי אודיו/וידאו לצרכנים.

הזרם הדרוש ל-FPGA או ASIC מקורו יכול להיות באמצעות ממיר AC/DC עבור התקנים מוזני-רשת-החשמל או ממיר DC/DC עבור התקנים מוזני-סוללות. בכל מקרה, יש צורך במייצב DC/DC‏ מוריד מתח (Buck) עוקב כדי לספק ולנהל את מתח הפס החד-ספרתי עבור העומס ברמות הזרם הדרושות.

אחת הדרכים לספק את הכוח הדרוש היא להשתמש במייצב DC/DC יחיד כדי לתמוך בכל התקני המעגלים, ולמקם אותו בצד או בפינה של לוח המחשב כדי לסייע בניהול בעיות פיזור חום ולפשט את ארכיטקטורת DC/DC ברמת-המערכת.

עם זאת, לפתרון פשוט זה יש בעיות:

• ראשית, יש את מפל IR הבלתי-נמנע בין המייצב לבין העומסים עקב המרחק ורמות הזרם הגבוהות (מפל מתח ΔV = זרם עומס I × התנגדות הפס המוליך (R)). הפתרונות לכך הם הגדלת רוחב הפסים המוליכים על לוח ה-PCB‏, או שימוש בפס צבירה, אך אלה משתמשים בנדל"ן לוח יקר ומגדילים את מפרט החומרים (BOM‏).
• טכניקה אחת להתגבר על מפל IR היא להשתמש בחישה מרחוק של המתח בעומס, אך זה עובד היטב רק עבור עומס חד נקודתי ולא עומס מבוזר. זה גם יוצר בעיות חדשות של תנודות פוטנציאליות, שכן ההשראות של פס הספקת-כוח ארוך יותר ומוליכי החישה יכולה להשפיע על ביצועי הטרנזיינטיים של מייצב ופסי המתח.
• לבסוף, והנושא שלעיתים הוא הקשה ביותר לניהול, פסי הספקת-הכוח הארוכים יותר הם גם רגישים יותר לקליטת רעשי EMI/RFI, כלומר הם גם יעילים יותר בהקרנת רעש לאורכם, כך שהם פועלים כמו אנטנות. הפתרון דורש בדרך כלל קבלי מעקף נוספים, חרוזי פרייט (Ferrite‏) בתוך-הקו ואמצעים נוספים. בהתאם לעוצמה ולתדרים שלו, רעש זה עלול להשפיע לרעה על פעולתם האמינה של העומסים ולהפוך למאתגר את העמידה בדרישות הרגולטוריות השונות של פליטות רעש.

דילמת הרעש מול הנצילות

חשוב לציין שהדילמה של "רעש מול נצילות" עבור מייצבי DC/DC היא תרחיש שונה מהפשרות הרגילות של תכנון הנדסי. מצב זה נוגע לעתים קרובות להערכת פשרות ומציאת ה-"Sweet Spot" - נקודת האופטימום - המאזנת בין תכונות חיוביות לעומת תכונות לא-חיוביות.

במה שונה המצב הזה? רוב תרחישי הפשרות מאפשרים למתכננים לקבל בכוונה פחות מערך פרמטר רצוי מסוים בתמורה ליותר מאחד אחר, ולנוע לאורך רצף של פשרות (איור 1, חלק עליון).

איור 1: רוב מצבי התכנון מאפשרים למהנדס להעריך ולאחר מכן לבצע פשרות שונות בביצועים לאורך נתיב רצוף למדי (עליון), אך עבור הרעש/נצילות של מייצבים ממותגים לעומת LDOs, התכנים מגיעים לקצה בצד אחד או אחר, עם מעט "אמצע הדרך" (תחתון). (מקור התמונה: Bill Schweber)

לדוגמה, המתכנן עשוי לבחור במגבר שרת (op-amp) המושך יותר זרם (רע) על מנת לספק קצב שינוי (Slew Rate‏) גבוה יותר (טוב) בהשוואה למגבר שרת אחר; נחוצה פשרה מתקבלת על הדעת או הכרחית ביישום.

עם זאת, עם מייצבים ממותגים ו-LDOs‏, תכונות הרעש והנצילות שלהם "אפויות" במידה רבה בתוך המבנה שלהם. המתכנן לא יכול לומר, למשל, שהם יקבלו LDO עם 20% יותר רעש בתמורה לכך שהוא יציע שיפור של 10% בנצילות - סוג זה של פשרות לא קיים. במקום זאת, יש פער בטווח של פשרות-תכונות (איור 1, חלק תחתון).

המייצבים Silent Switcher פותרים את דילמת הפשרה

פתרון חלופי ובדרך כלל טוב יותר הוא להשתמש במייצבי DC/DC‏ בודדים הממוקמים קרוב ככל האפשר ל-ICs‏ של העומס שלהם. זה ממזער את מפל ה-IR, את חתימת-השטח של לוח ה-PCB‏ ואת קליטת רעשי הפס והקרינה. עם זאת, כדי שגישה זו תהיה בת-קיימא, חיוני שיהיו מייצבים קטנים, יעילים עם רעש נמוך שניתן למקם ליד העומס ועדיין לעמוד בכל דרישות הזרם שלו.

זה המקום שבו המייצבים הרבים של Silent Switcher הם פותרי הבעיות. מייצבים אלו לא רק מספקים יציאות מתח חד-ספרתי ברמות זרם של כמה אמפר עד A‏ 10‏, אלא שהם עושים זאת עם רעש נמוך ביותר, המושג על ידי שימוש בחידושי תכנון רבים.

מייצבים אלו משנים את החשיבה הקונבנציונלית של הפער בין LDO לעומת מייצב-ממותג עם התקני Silent Switcher 1 (דור ראשון) ו-Silent Switcher 2 (דור שני). המתכננים של התקנים אלו זיהו את מקורות הרעש השונים ופיתחו דרכים להנחית כל אחד מהם.

שימו לב כי מייצבי Silent Switcher אינם משתמשים בטכניקת "Spread Spectrum‏" המוכרת היטב והלגיטימית של הוספת רעש פסאודו-אקראי לאות השעון. זה מרחיב את ספקטרום הרעש תוך הפחתת האמפליטודה שלו בתדר השעון ובהרמוניות שלו. בעוד ששימוש בתזמון עם Spread Spectrum‏ יכול לסייע בעמידה במגבלות רגולטוריות, הוא אינו מפחית את אנרגיית הרעש המצטברת ולמעשה עשוי להכניס רעש מסוים בחלקים מהספקטרום המשפיעים על ביצועי המעגל.

היתרונות של התקני Silent Switcher 1 כוללים EMI נמוך, נצילות גבוהה ותדר מיתוג גבוה המרחיק את רוב הרעש שנותר מהחלקים בספקטרום שבהם הוא יפריע לפעולת המערכת או שיגרום לבעיות רגולטוריות. היתרונות של Silent Switcher 2 כוללים את כל התכונות של טכנולוגיית Silent Switcher 1 ובנוסף קבלים מדויקים משולבים, גודל פתרון קטן יותר וביטול הרגישות לפריסת לוח ה-PCB‏.

הודות לגורם הצורה הזעיר שלהם (רק כמה מילימטרים רבועים (ממ"ר) ולנצילות, מתגים אלה יכולים להיות ממוקמים קרוב מאוד ל-FPGA או ל-ASIC העומס, ובכך למקסם את הביצועים ולבטל אי-ודאות בין מפרט הביצועים של גיליון הנתונים לבין השימוש במציאות. הם משנים את הדילמה ה"בינארית" של הצורך לבחור בין קבלת יותר רעש או פחות נצילות, ומאפשרים למתכננים להשיג את הטוב משתי התכונות בכל הנוגע לרעש ולנצילות.

כיצד מומשו היתרונות הללו של Silent Switcher? זה נעשה על ידי נקיטת גישה רבת-פנים:

• הסיבה העיקרית לרעש בספקי-כוח ממותגים היא הזרמים הממותגים, לא הזרמים במצב-יציב. בטופולוגיה של מייצב ממותג קונבנציונלי, קיים נתיב זרימת זרם הנקרא חוג חם. חוג חם זה אינו חוג זרם עצמאי, אלא רק חוג זרם וירטואלי המורכב מרכיבים של שני חוגי זרם אמיתיים (איור 2).

איור 2: לטופולוגיית מייצב ממותג רגיל יש חוג זרם וירטואלי הנקרא חוג חם; הוא מורכב מהרכיבים של שני חוגי זרם אמיתיים ויש לו זרימות של זרם-ממותג. (מקור התמונה: Analog Devices)

טכנולוגיית Silent Switcher 2 של Analog Devices הופכת את החוגים החמים הקריטיים לקטנים ככל האפשר באמצעות שילוב של קבלי כניסה במארז ה-IC. כמו כן, על ידי פיצול החוג החם לשתי צורות סימטריות, נוצרים שני שדות מגנטיים בעלי קוטביות מנוגדת והרעש המוקרן מבטל עצמו במידה רבה.

• ארכיטקטורת הדור השני תומכת בקצוות מיתוג מהירים לטובת נצילות גבוהה בתדרי מיתוג גבוהים תוך השגת ביצועי EMI טובים בו-זמנית. קבלים קרמיים פנימיים על מתח הכניסה (_IN‏V‏) שומרים על כל חוגי זרם AC המהירים קטנים תוך שיפור ביצועי EMI.
• ארכיטקטורת Silent Switcher משתמשת בטכניקות תכנון ואריזה קנייניות כדי למקסם את הנצילות בתדרים גבוהים ביותר ולאפשר ביצועי EMI אולטרה-נמוך, העולים בקלות על מגבלות EMI‏ שיא של CISPR 25 Class 5‏ הודות לשימוש בתכנים קומפקטיים וחסונים במיוחד.
• משתמשים במיקום מתח אקטיבי (AVP), טכניקה שבה מתח היציאה תלוי בזרם העומס. בעומסים קלים, מתח היציאה מיוצב מעל הערך הנומינלי, בעוד שבעומס מלא, מתח היציאה מיוצב מתחת לערך הנומינלי. ייצוב עומס ה-DC מותאם כדי לשפר ביצועי טרנזיינטים ולהפחית את דרישות קבלי היציאה.

המשפחות הרבות של Silent Switcher

מייצבי Silent Switcher זמינים במשפחות ובדגמים רבים, עם דירוגי מתח/זרם שונים בתוך כל משפחה. כמה שיקולים נוספים משתנים מדגם לדגם, כגון יציאה קבועה לעומת יציאה מתכווננת. בין החברים השונים במשפחת LTC33xx נמצאים:

• LTC3307‏: Silent Switche מוריד-מתח סינכרוני 5‏ וולט, A‏ 3‏ במארז LQFN‏ של 2 מ"מ ×‏ 2 מ"מ
• LTC3308A‏: Silent Switche מוריד-מתח סינכרוני 5‏ וולט, A‏ 4‏ במארז LQFN‏ של 2 מ"מ ×‏ 2 מ"מ
• LTC3309A‏: Silent Switche מוריד-מתח סינכרוני 5‏ וולט, A‏ 6‏ במארז LQFN‏ של 2 מ"מ ×‏ 2 מ"מ
• LTC3310‏: 2‏ Silent Switche מוריד-מתח סינכרוני 5‏ וולט, A‏ 10‏ במארז LQFN‏ של 3 מ"מ ×‏ 3 מ"מ

במבט על ה-LTC3310‏ ביתר פירוט, זהו ממיר DC/DC קטן ביותר, עם רעש נמוך, מונוליתי, המסוגל לספק זרם יציאה של עד A‏ 10‏ מהספקת כניסה של 2.25 עד 5.5 וולט; תחום _OUT‏V‏ הוא 0.5 וולט עד _IN‏V‏. תדרי המיתוג מתפרשים על פני התחום של 500 קילו-הרץ (kHz) עד 5 מגה-הרץ (MHz). הוא דורש רק כמה רכיבים פסיביים חיצוניים ויש לו נצילות של כ-90% על פני רוב תחום עומסי היציאה שלו (איור 3).

איור 3: מייצב DC/DC‏ מוריד-מתח LTC3310 דורש רכיבים אקטיביים חיצוניים ומציע נצילות גבוהה על-פני רוב תחום העומסים שלו. (מקור התמונה: Analog Devices)

הוא זמין בארבע גרסות בסיסיות. ההתקנים מספקים גם EMI נמוך וגם נצילות גבוהה בתדרי מיתוג גבוהים עד כדי 5 מגה-הרץ, וישנן גרסות של משפחת LTC3310 מורשות לרכב AEC-Q100. שימו לב שגם התקני הדור הראשון (SS1‏) - LTC3310‏ - וגם התקני הדור השני (SS2‏) - LTC3310S ו-LTC3310S-1 - זמינים כהתקני יציאה מתכווננת וכהתקני יציאה קבועה (טבלה 1):

טבלה 1: ה-LTC3310 מוצע בארבע גרסות בסיסיות, המייצגות תכנים מהדור הראשון והשני, כמו גם יציאות קבועות ומתכווננות. (מקור התמונה: Analog Devices)

עבור הגרסות המתכווננות, מתח היציאה מתוכנת-קשה באמצעות מחלק נגדים בין היציאה לבין פין המשוב (FB) באמצעות משוואה פשוטה לקביעת ערך הנגד הנכון (איור 5).

איור 5: קביעת מתח היציאה של התקני LTC3310 המתכווננים דורשת רק רשת מחלק נגדים בסיסית המבוססת על משוואה פשוטה. (מקור התמונה: Analog Devices)

רמות הרעש הן בדרך כלל בעשרות מיקרו-וולט. שני מדדי מפתח של ביצועי הרעש הנמוך של התקני LTC3310 הם בדיקות הרעש שנערכו בהתאם לגבולות השיא הרלוונטיים של CISPR25 Class 5. אלה כוללים רעש מולך (איור 6) ורעש מוקרן במישורים הן אופקי והן אנכי (איור 7).

איור 6: מייצב מאורגן כראוי המבוסס על LTC3310S עומד בגבולות הפליטה המחמירים של CISPR25 EMI (עם שיא Class 5). (מקור התמונה: Analog Devices)

איור 7: עבור בדיקות פליטות מוקרנות, ה-LTC3310S עומד הן במישור האופקי (שמאל) והן במישור האנכי (ימני) EMI לפי הדרישות הרגולטוריות של CISPR25. (מקור התמונה: Analog Devices)

מאפיין בולט נוסף של משפחת LTC3310 היא הקלות שבה ניתן להשתמש בהתקנים במקביל עבור פעולת זרם רב-פאזי גבוה יותר, מאפיין שמייצבים ממותגים רבים אחרים אינם תומכים בו או תומכים עם קשיים. החיבור במקביל הפשוט ביותר הוא עבור פעולה דו-פאזית המניבה זרם של עד A‏ 20‏ (איור 8). ניתן להרחיב את הגישה בקלות לשלושה, ארבעה או יותר פאזות, ולזרמים גבוהים יותר בהתאם.

איור 8: עם מספר רכיבים נוספים, ניתן לשלב שני התקני LTC3310 או יותר עבור פעולה רב-פאזית עם זרם גבוה יותר; באיור מוצגת תצורה דו-פאזית/A‏ 20‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

לוחות הערכה מקצרים את מחזורי התכנון

המייצבים כדוגמת התקני LTC3310 הם ישירים ביישום שלהם מכיוון שאין להם רגיסטרי אתחול, פונקציות מבוקרות-תוכנה או מורכבויות כינון אחרת. עם זאת, הגיוני מבחינה טכנית להיות מסוגל להעריך את הביצועים הסטטיים והדינמיים שלהם ולמטב את ערכי הרכיבים הפסיביים לפני שמתחייבים לפריסה סופית או לפרטי ה-BOM. הזמינות של לוחות הערכה LTC3310 הופכת תהליך זה להרבה יותר קל. Analog Devices מציעה מבחר של לוחות כאלה המותאמים לגרסות ותצורות LTC3310 שונות:

• ה-DC3042A תומך בהתקן LTC3310 עם יציאה מתכווננת (איור 9).

איור 9: לוח ההערכה DC3042A מתוכנן עבור ה-LTC3310 עם מתח יציאה הניתן להגדרה על ידי המשתמש. (מקור התמונה: Analog Devices)

בנוסף להדרכה למשתמשים על כינון ותפעול בסיסיים, התיעוד כולל תרשים סכמטי, פריסת הלוח ומפרט חומרים (BOM). הוא גם מציין את נקודות הבדיקה והחיבורים השונים, כמו גם את סדר הבדיקה עבור מדידת אדוות היציאה והיענות לצעד (איור 10).

איור 10: מדריך ההדגמה למשתמש DC3042A מציין בבירור נקודות בדיקה וחיבורים (למעלה), כמו גם את סדר הבדיקה עבור הכינון והגדרת התצורה למדידת אדוות היציאה והיענות לצעד. (מקור התמונה: Analog Devices)

• עבור ה-LTC3310S-1 עם מתח יציאה קבוע, יש את לוח ההערכה DC3021A‏ (איור 11).

איור 11: עבור ה-LTC3310S-1 עם מתח יציאה שאינו ניתן לכוונון על-ידי המשתמש, לוח ההערכה DC3021A הוא הבחירה המתאימה. (מקור התמונה: Analog Devices)

• לבסוף, עבור הסידור במקביל הרב-פאזי שהוא במידה מסוימת מורכב יותר, יש את ה-DC2874A-C‏ (איור 12). ללוח הערכה זה יש את ה-LTC3310S הפועל כמייצב Buck‏ רב-פאזי של 2.0 מגה-הרץ, 3.3 ל-1.2 וולט. ל-DC2874A‏ יש שלוש אפשרויות בנייה כדי לספק פתרונות יציאה דו-פאזית/A‏ 20‏, תלת-פאזית/A‏ 30‏, או ארבע-פאזית/A‏ 40‏.

איור 12: לוח ההערכה DC2874A-C עבור ה-LTC3310S כולל שלוש אפשרויות בנייה: דו-פאזית/A‏ 20‏, תלת-פאזית/A‏ 30‏, או ארבע-פאזית/A‏ 40‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

הודות לשימוש ב-LTC3310S והשקעת זמן בלוח ההערכה המתאים ובמדריך למשתמש התואם שלו, המתכננים יכולים לקצר את הזמן המושקע בביצועי מייצב DC/DC.

סיכום

המהנדסים נאלצו באופן מסורתי לבחור בין שתי טופולוגיות סותרות של מייצב DC/DC עם תכונות מנוגדות בבירור. LDOs מציעים יציאת DC עם רעש נמוך ביותר אך עם נצילות נמוכה עד בינונית, ולכן הם מהווים אתגר תרמי עבור יציאות של מעל A‏ 1‏ בערך. לעומת זאת, מייצבים ממותגים מציעים נצילויות בתחום של 90%, אך מוסיפים רעש לפס יציאת DC, ומהווים גם מקור לרעש מולך - ובעיקר מוקרן - יכול בקלות לגרום לכך שהמוצר לא יעבור בדיקות רגולטוריות מחייבות.

למרבה המזל, משפחות Silent Switcher של Analog Devices משתמשות במגוון של טכניקות תכנון חדשניות המתגברות על דילמת "הבחירה באחת או באחרת", עם אפשרויות מייצבים עם גורמי צורה זעירים ויעילים ביותר, עם רעש נמוך ביותר.