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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

来源: 编辑: 发布日期:2020-11-27

 随着电子设备集成度和扩散水平的提高,设计人员承受着不断提高压力的压力,以提高效率,同时降低成本,尺寸和电磁干扰(EMI)。尽管电源的功率密度和效率有所提高,但设计人员现在也面临着为异构处理架构开发多轨电源解决方案的挑战,这些架构可能包括ASIC,DSP,FPGA和微控制器的混合。Drz金属管浮子流量计_金属转子流量计_玻璃管转子流量计 - 淮安市三畅仪表有限企业

 
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。
 
本文将先容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,然后再先容自包含的降压型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设计和布局注意事项,以非常大程度地发挥这些模块的性能优势。
 
为什么嵌入式系统需要许多电源轨
诸如5G基站之类的嵌入式设计旨在支撑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基站为例,传统的CPU本身已无法满足处理要求。但是,将加速卡与FPGA一起使用具有系统可重新配置性,灵活性,开发周期短,高度并行计算和低延迟的优点。但是,FPGA电源的可用空间正在缩小,并且电源轨性能要求也很复杂(图1):
 
输出电压偏移:电压轨的输出电压偏移必须小于±3%,设计中应留有足够的余量。通过优化控制环路以增加带宽并确保其稳定性,去耦电容器应谨慎使用和设计。
单调启动:所有电压轨的启动必须单调上升,并且设计应防止输出电压返回其初始值。
输出电压纹波:在稳态操作中,所有电压轨(模拟电压轨除外)的输出电压纹波必须非常大为10毫伏(mV)。
时序:在启动和关闭期间,FPGA必须满足特定的时序要求。
由于不断增长的计算需求,加速卡上的处理器尺寸增加了
图1:由于不断增长的计算需求,加速卡上的处理器尺寸增加了,几乎没有电源供应空间。
 
随着数据处理带宽需求变得越来越苛刻,处理器需要更多的电流和功率。加速卡的计算密度和浮点速度要求也变得越来越难以为工业所满足。加速卡插槽通常是PCIe标准化的,因此板的尺寸是固定的。由于不断增长的计算需求,处理器的尺寸已经增加,为电源留出的空间很小。
 
电力系统设计替代方案
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
图4:采用引线框架进行互连的新型结构具有许多优点:可以更好地控制EMI,改善散热,并减小占位面积。
 
与可直接辐射至EMI的引线的替代单列直插式(SIL)或SIL封装(SIP)样式的转换器相比,使用直接表面安装至目标PCB的焊盘栅格阵列(LGA)封装格式可降低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,可支撑0.55伏至7伏的输出电压范围。四个输出轨可支撑高达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
图5:MPM54304是完整的4V至16V输入四路输出降压型电源管理模块。
 
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
图6:MPM54304的LGA封装提供了一种紧凑且小巧的解决方案,具有低EMI
 
设计和布局注意事项
MPM54304的边缘具有简单的引脚排列,使布局和PCB设计更加容易。只需五个外部组件,整个解决方案便小而紧凑。LGA封装允许坚固的接地层覆盖模块下方的大部分区域,这有助于闭合涡流环路并进一步降低EMI。
 
该降压转换器具有不连续的输入电流,并且需要一个电容器来向转换器提供交流电流,同时保持直流输入电压。设计人员应使用低等效串联电阻(ESR)电容器来获得非常佳性能。推荐使用具有X5R或X7R电介质的陶瓷电容器,因为它们的ESR低且温度系数小。对于大多数应用,使用22微法拉(µF)电容器就足够了。
 
高效的印刷电路板布局对于MPM54304的稳定运行至关重要。建议使用四层印刷电路板以获得更好的散热性能(图7)。为了获得非常佳结果,设计人员应遵循以下准则:
 
保持电源环路尽可能小
请使用较大的接地层直接连接至PGND。如果底层是接地层,则在PGND附近添加过孔。
确保GND和VIN处的大电流路径走线短,直且宽
陶瓷输入电容器应尽可能靠近器件放置
输入电容和IN应尽可能短而宽
将VCC电容器放置在尽可能靠近VCC和GND引脚的位置
将VIN,VOUT和GND连接到大面积的铜上以改善热性能和长期可靠性
将输入GND区域与顶层上的其他GND区域分开,并通过多个过孔将它们在内部层和底层上连接在一起
确保内部层或底层上有集成的GND区域
使用多个过孔将电源层连接到内部层
使用MPM54304四路输出电源模块
图7:使用MPM54304四路输出电源模块时,建议使用四层印刷电路板布局。
 
结论
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,该解决方案可以支撑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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