השתמשו במודולי DC/DC‏ מורידי-מתח עבור המרת הספק בצפיפות גבוהה עם נצילות טובה ו- EMI נמוך

ככל שרמת האינטגרציה והנפוצות של התקנים אלקטרוניים עולה, המתכננים נתונים תחת לחץ מתמיד לשפר את הנצילות תוך הפחתת העלויות, הגודל וההפרעות האלקטרומגנטיות (EMI). בעוד שספקי-הכוח השתפרו בצפיפות ההספק ובנצילות, המתכננים מתמודדים כיום גם עם האתגר לפתח פיתרונות הספקת-כוח רבי-פסים עבור ארכיטקטורות עיבוד הטרוגניות העשויות לכלול שילוב של ASIC, DSP, FPGA ומיקרו-בקרים.

ממירי DC/DC‏ מורידי-מתח משמשים באופן מסורתי בארכיטקטורות כאלו, אך מספר פסי הספקת-הכוח, השימוש בממירי DC/DC‏ מורידי-מתח בדידים מסורתיים עם מעגל-משולב (IC‏) לבקרה ורכיבי MOSFET להספק פנימיים או חיצוניים - בנוסף למשרנים וקבלים חיצוניים - עלולים להיות מורכבים וגוזלי-זמן. במקום זאת, המתכננים יכולים להשתמש במודולי ממיר DC/DC מוריד-מתח עצמאי עם מספר פסים ותזמון ניתן-לתכנות המבקר טוב יותר את ה- EMI‏, מייצר פחות חום ויש לו חתימת-שטח קטנה יותר.

מאמר זה יסקור את צורכי מערכת הספקת-הכוח של תכנים משובצים וידון בגישות שונות ומה המתכננים צריכים להביא בחשבון לפני שהם שוקלים את הרעיון של מודולי DC/DC‏ מורידי-מתח עצמאיים. לאחר מכן הוא ישתמש בהתקן דוגמה מבית Monolithic Power Systems לבחינה קצרה של שיקולי התכנון והפרישה שאותם המתכננים צריכים לזכור כדי למקסם את יתרונות הביצועים של מודולים אלה.

מדוע מערכות משובצות זקוקות לפסי הספקת-כוח רבים

תכנים משובצים כמו תחנות בסיס 5G נועדו לתמוך בדרישות נפח הנתונים ההולך וגדל מטלפונים חכמים והתקנים מחוברים חכמים ביישומים כגון אוטומציה ביתית ותעשייתית, כלי-רכב אוטונומיים, שירותי בריאות והתקנים לבישים חכמים. תחנות בסיס כאלה משתמשות לרוב בהספקת כניסה של 48 וולט שאותה מורידים באמצעות ממירי DC/DC ל -24 וולט או 12 וולט, ואז מורידים עוד יותר לפסי-המשנה הרבים הנעים בין 3.3 וולט לפחות מ- 1 וולט עבור הספקת-כוח ל- ASIC, FPGA ,DSP והתקנים אחרים בדרגות העיבוד של פס-התדרים הבסיסי. לעתים קרובות, פסי הספקת-הכוח זקוקים לתזמון לצורך התנעה וכיבוי, המוסיף למורכבות מערכת הספקת-הכוח עבור המתכננים.

בדוגמה של תחנות בסיס 5G, המעבד המסורתי כשלעצמו כבר אינו יכול עוד לעמוד בדרישות העיבוד. עם זאת, ישנם יתרונות לשימוש בכרטיס מאיץ עם FPGA עבור יכולת הגדרת-התצורה של המערכת, גמישות, מחזור פיתוח קצר, מיחשוב מקבילי ביותר ושיהוי קצר. אך המקום הזמין עבור הספקת-הכוח ל- FPGA מצטמצם, ודרישות הביצועים עבור פסי הספקת-הכוח הן מורכבות (איור 1):

• היסט (Offset) מתח היציאה: סטיית מתח היציאה ממתח הפס צריכה להיות של פחות מ- %‏3‏±, ויש להשאיר בתכן מרווח ביטחון מתאים. על ידי אופטימיזציה של חוג הבקרה להגדלת רוחב הפס ולהבטחת יציבותו, יש ליישם את קבל ביטול-הצימוד (Decoupling) ולתכנן אותו בקפידה.
• אתחול מונוטוני: האתחול של כל פסי המתח חייב לעלות בצורה מונוטונית, והתכן חייב למנוע ממתח היציאה לחזור לערך ההתחלתי שלו.
• אדוות מתח היציאה: בפעולה במצב יציב, אדוות מתח היציאה של כל פסי המתח (למעט פס המתח האנלוגי) חייבת להיות לכל היותר 10 מיליוולט (mV‏).
• תזמון: רכיבי ה- FPGA חייבים לעמוד בדרישות תזמון ספציפיות במהלך ההתנעה והכיבוי.

איור 1: עקב דרישות המיחשוב הגוברות, גודל המעבד בכרטיסי המאיצים גדל והשאיר מעט מקום לספק הכוח. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

מעבדים דורשים יותר זרם והספק ככל שדרישות רוחב-הפס של עיבוד הנתונים הופכות ליותר תובעניות. צפיפות החישוב ודרישות המהירות של נקודה צפה בכרטיסי מאיצים הופכות גם הן לקשות יותר עבור התעשייה. חריץ כרטיס המאיץ הוא בדרך כלל בתקן PCIe, כך שגודל הלוח קבוע. עקב דרישות המיחשוב הגוברות, גודל המעבד גדל והשאיר מעט מקום לספק הכוח.

חלופות לתכנון מערכת הספקת-הכוח

השימוש בממירי DC/DC‏ מורידי-מתח בדידים מסורתיים עם מעגל-משולב (IC‏) לבקרה ורכיבי MOSFET להספק פנימיים או חיצוניים, ובנוסף משרנים וקבלים חיצוניים, היא אחת הגישות להספקת-כוח למערכות משובצות. כפי שנדון לעיל, זהו תהליך מורכב וגוזל-זמן עבור המתכננים כאשר יש צורך בפתרונות הספקת-כוח רבי-פסים. בנוסף לשיקולים של מיקסום הנצילות ומזעור גודל הפתרון, על המתכננים להקפיד על פרישת רכיבי המסנן ועל מיקומם כדי להקטין למינימום את ה- EMI המולך והמוקרן הנגרם על ידי מיתוג זרמים במעגלי הממיר והמשרן (איור 2).

איור 2‏: לממירי DC/DC‏ מורידי-מתח בדידים יש מספר מקורות EMI‏ שהמתכננים צריכים לנהל. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

ממירי DC/DC‏ מייצרים בדרך כלל EMI מולך דרך שדות מגנטיים ממסלול חוג הזרם שנוצר בין צומת המיתוג של ה- MOSFET להספק אל ההארקה, וקבל הכניסה אל ההארקה. הם גם מייצרים EMI של שדה חשמלי מוקרן מצומת מיתוג ה- MOSFET אל חיבור המשרן, שיש לו dV/dt גבוה מכיוון שהוא עובר מרמת מתח הכניסה הגבוהה אל ההארקה ברציפות, ומהשדות האלקטרומגנטיים הנוצרים בתוך המשרן. כישלון בהשגת תכן נכון גורם לעיתים קרובות לבדיקות חוזרות של מעבדת EMI ולמספר איטרציות תכנון.

פיתרון של ארבעה פסים להספקת-כוח לרכיבי ASIC או FPGA באמצעות ממירי DC/DC מורידי-מתח בדידים יכול לתפוס 1,220 מילימטרים רבועים (מ"מ²) (איור 3). ניתן להקטין אותו לכ- 350 מ"מ² באמצעות פתרון מבוסס מעגל-משולב (IC‏) לניהול הספקת-כוח (PMIC‏). כחלופה, המתכננים יכולים להשתמש במודול ממיר DC/DC עצמאי עם ארבע יציאות כדי להקטין את גודל הפיתרון ל- 121 מ"מ² בלבד, תוך פישוט תהליך התכנון והאצת זמן היציאה לשוק. ההתקדמות בטכנולוגיית תהליכי מוליכים-למחצה ובבניית מארזים גורמת לכך שהדורות האחרונים של מודולי DC/DC‏ משיגים צפיפות הספק גבוהה ביותר, נצילות גבוהה וביצועי EMI טובים בגורם צורה קטן.

איור 3‏: השימוש בפיתרון מודול DC/DC‏ משולב יכול לחסוך עד 90% מהמקום בלוח בהשוואה לפיתרון בדיד. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

טכניקות בנייה חדשות, כגון Flip-Chip בתוך-מארז וטכנולוגיית מסגרת מוליכים "מחוברת-רשת-Mesh", משמעותן היא שניתן להתקין את ה- IC, משרן והרכיבים הפסיביים ישירות על גבי מסגרת המוליכים ללא הדבקת חוטים או לוח מעגלים פנימי נוסף (איור 4). בהשוואה לסגנונות מבנה ישנים יותר המשתמשים במצע לוח מעגלים פנימי או בהדבקת חוטים, ניתן להקטין למינימום את אורכי הפסים המוליכים של החיבורים, וחיבור ישיר לרכיבים הפסיביים שומר על השראות נמוכה כדי להקטין למינימום את ה- EMI.

איור 4: לצורת המבנה החדשה המשתמשת במסגרת מוליכים עבור החיברורים יש מספר יתרונות: EMI מבוקר טוב יותר, פיזור חום משופר וגודל חתימת-השטח מוקטן. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

השימוש בפורמט מארז Land Grid Array‏ (LGA‏) שבהרכבה משטחית ישירות ללוח המעגלים מציע פרופיל EMI‏ נמוך יותר לעומת החלופות של ממירים בסגנון Single-In-Line‏ (SIL‏) או SIL Package‏ (SIP‏) עם מוליכים העלולים להקרין EMI‏.

מודולי DC/DC‏ משולבים ניתנים-לתכנות עם ארבע-יציאות

כדי לענות על הצרכים של צפיפות הספק גבוהה עם מספר פסי כוח במערכות משובצות, המתכננים יכולים לפנות ל- MPM54304‏ מבית Monolithic Power Systems (איור 5). ה- MPM54304‏ הוא מודול ניהול הספקת-כוח שלם המשלב ארבעה ממירי DC/DC‏ מורידי-מתח עם נצילות גבוהה, משרנים וממשק לוגיקה גמיש. פועל בתחום מתחי כניסה של 4 וולט עד 16 וולט, ה- MPM54304 יכול לתמוך בתחום מתחי יציאה של 0.55 וולט עד 7 וולט. ארבעת פסי היציאה מסוגלים לתמוך בזרמים של עד 3 אמפר (A‏), A‏ 3‏, A‏ 2‏ ו- A‏ 2‏. שני פסי A‏ 3‏ ושני פסי A‏ 2‏ ניתנים לחיבור במקביל כדי לספק A‏ 6‏ ו- A‏ 4‏, בהתאמה. המתכננים חייבים לשים לב שזרם היציאה המקסימלי באופן מקבילי מוגבל גם על ידי פיזור ההספק הכולל. זה מספק את הגמישות לייצר מספר תצורות יציאה (בכפוף למגבלות פיזור ההספק הכולל):

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

איור 5: ה- MPM54304 הוא מודול ניהול הספקת-כוח מוריד-מתח שלם עם ארבע יציאות ועם כניסות של 4 וולט עד 16 וולט. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

ה- MPM54304 מספק גם תזמון פנימי להתנעה וכיבוי. את תצורת פסי המתח והתזמון ניתן לתכנת מראש באמצעות e-Fuse‏ Multiple-Time Programmable‏ (MTP‏) או אפיק C‏^2‏I‏.

ממיר DC/DC‏ זה עם בקרת זמן-מצב-מופעל-קבוע (COT) בתדר-קבוע מספק היענות מהירה לטרנזיינטים. תדר המיתוג של ברירת-המחדל שלו של 1.5‏ מגה-הרץ (MHz‏) מקטין בהרבה את גודל הקבל החיצוני. שעון המיתוג שלו הוא עם חוג נעול-פאזה והסטת-פאזה מ- Buck‏ 1 עד Buck‏ 4 בזמן פעולה באופן זרם רציף (CCM‏). מתח היציאה שלו ניתן-לכיוונון באמצעות אפיק C‏^2‏I‏ או הגדרה-מראש על ידי ה- e-Fuse‏ MTP‏.

מאפייני הגנה מלאים כוללים נעילת תת-מתח (UVLO), הגנת זרם-יתר (OCP) וכיבוי תרמי. ה- MPM54304 דורש מספר מינימלי של רכיבים חיצוניים והוא זמין במארז חוסך-מקום LGA‏ (7 מ"מ ×‏ 7 מ"מ x‏ 2 מ"מ) (איור 6‏). הפרופיל הנמוך של ה- LGA הופך אותו למתאים עבור מיקום על גב הלוח או תחת צלעות-קירור.

איור 6‏: מארז LGA של ה- MPM54304 מספק פיתרון קומפקטי בפרופיל נמוך עם EMI נמוך (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

שיקולי תכנון ופרישה

ל- MPM54304‏ יש מערך-פינים פשוט לאורך הקצה, המקל על הפרישה ועל תכנון לוח המעגלים. הוא זקוק לחמישה רכיבים חיצוניים בלבד והפיתרון הכולל הוא קטן וקומפקטי. מארז LGA‏ מאפשר משטח ההארקה מוצק המכסה את מרבית השטח מתחת למודול ומסייע בסגירת חוגי זרמי מערבולת (Eddy‏) ומפחית עוד יותר את ה- EMI‏.

לממיר מוריד-מתח זה יש זרם כניסה לא-רצוף והוא דורש קבל כדי לספק זרם AC‏ לממיר תוך שמירת מתח הכניסה DC‏. על המתכננים להשתמש בקבלים עם התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏) נמוכה לקבלת הביצועים הטובים ביותר. קבלים קרמיים עם דיאלקטרי X5R או X7R מומלצים בגלל ה- ESR הנמוך ומקדמי הטמפרטורה הקטנים שלהם. עבור רוב היישומים מספיקים קבלים של 22 מיקרו-פאראד (µF).

פרישה יעילה של לוח המעגלים היא קריטית עבור פעולה יציבה של ה- MPM54304. מומלץ להשתמש בלוח מעגלים עם ארבע שכבות להשגת ביצועים תרמיים טובים יותר (איור 7‏). לקבלת התוצאות הטובות ביותר על המתכננים לפעול בהתאם להנחיות הבאות:

• יש לשמור על חוגי הספקת-כוח קטנים ככל האפשר
• יש להשתמש במשטח הארקה גדול לחיבור ישיר ל- PGND‏ אם השכבה התחתונה היא משטחי ההארקה, יש להוסיף מעברים (Vias) קרוב ל- PGND‏
• יש להבטיח שמסלולי הזרם הגבוה ב- GND ו- VIN יש פסים מוליכים קצרים, ישירים ורחבים
• יש למקם את קבל הכניסה הקרמי קרוב ככל האפשר להתקן
• יש לשמור על קבל הכניסה וה- IN קצרים ורחבים ככל האפשר
• יש למקם את קבל VCC קרוב ככל האפשר לפיני VCC ו- GND
• יש לחבר את VIN, VOUT ו- GND לאזור נחושת גדול כדי לשפר את הביצועים התרמיים והאמינות לטווח הארוך
• יש להפריד את אזור GND הכניסה מאזורי GND אחרים בשכבה העליונה ולחבר אותם יחד על השכבות הפנימיות והשכבה התחתונה באמצעות מספר מעברים (Vias‏)
• יש להבטיח שיש אזור GND משולב בשכבה הפנימית או בשכבה התחתונה
• יש להשתמש במספר מעברים (Vias) כדי לחבר את משטחי הספקת-הכוח לשכבות הפנימיות

איור 7: מומלץ להשתמש בפרישת לוח מעגלים של ארבע שכבות כאשר משתמשים במודול הספקת-הכוח עם ארבע יציאות MPM54304. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

סיכום

כאשר ארכיטקטורות עיבוד מתפתחות כדי לענות על יישומי נתונים תובעניים ביותר, המתכננים מתמודדים עם האתגר לפתח פיתרונות הספקת-כוח רבי-פסים היכולים לתמוך בכוח עיבוד מוגבר ובאלקטרוניקה בגורמי צורה שהם סטטיים או קטנים יותר. ממירי DC/DC‏ מורידי-מתח הם רכיבים קריטיים בתכנון פתרונות הספקת-כוח עבור מערכות אלו אך הם עלולים להיות מורכבים למימוש.

כפי שהוצג, המתכננים יכולים לפנות למודולי ממיר DC/DC מוריד-מתח עצמאיים עם מספר פסי הספקת-הכוח ותזמון ניתן-לתכנות, המפשטים את תהליך התכנון ומאיצים את זמן היציאה לשוק. כמו כן, טכניקות המבנה החדשות מאפשרות למודולים עצמאיים אלו מספר יתרונות ביצועים: ה- EMI מבוקר טוב יותר, פיזור החום משופר וגודל חתימת-השטח מוקטן.

קריאה מומלצת

1. השתמשו במודולי הספקת-כוח ניתנים-לתכנות כדי להאיץ את תכנון מייצבי DC/DC