Fournir efficacement une alimentation de haute intégrité aux charges critiques avec un impact minimal sur l'espace carte

Les serveurs de mégadonnées (« big data »), ainsi que les applications telles que l'apprentissage automatique, l'intelligence artificielle (IA), les réseaux cellulaires 5G, l'IoT et l'informatique d'entreprise, nécessitent souvent des circuits ASIC, des FPGA, des processeurs (CPU) et des processeurs graphiques (GPU) puissants qui exigent des courants élevés à basses tensions et une haute densité de puissance dans des empreintes compactes. Pour garantir l'intégrité de l'alimentation globale des systèmes, il est nécessaire d'utiliser des systèmes de gestion de l'alimentation distribuée qui amènent les sources d'alimentation CC/CC directement au point de charge (POL), c'est-à-dire aux processeurs à hautes performances. Il peut y avoir un grand nombre de convertisseurs de puissance CC/CC de ce type sur une seule carte. Le problème auquel sont confrontés les concepteurs est donc de rendre ces dispositifs aussi compacts que possible pour économiser de l'espace sur la carte. Dans le même temps, ils doivent répondre aux exigences de performance, de latence, de gestion thermique, de rendement et de fiabilité, tout en simplifiant le processus de conception et en limitant les coûts.

La solution à cette problématique repose sur l'association de semi-conducteurs hautes performances et de composants passifs et sur l'utilisation de technologies de conditionnement avancées pour atteindre des niveaux plus élevés d'intégration des systèmes. Il a été démontré que cette approche permet d'obtenir un format plus compact et un profil plus plat par rapport aux autres technologies actuellement disponibles, tout en améliorant la gestion thermique. Par ailleurs, l'approche intégrée permet de maîtriser les coûts de conception, y compris la gestion des stocks et le temps de développement.

Cet article traite de la nécessité des réseaux d'alimentation distribuée et du rôle des dispositifs d'alimentation POL. Il présente ensuite une catégorie de convertisseurs CC/CC POL de TDK Corporation qui utilisent des techniques de conditionnement avancées pour obtenir les caractéristiques de performances requises. L'article décrit également leurs attributs les plus importants et montre comment les concepteurs peuvent les déployer pour répondre avec succès à leurs exigences en matière d'alimentation POL.

Intérêt des sources d'alimentation des convertisseurs CC/CC POL

Les ordinateurs, les serveurs et les autres équipements numériques utilisent de plus en plus des FPGA, des circuits ASIC et d'autres circuits intégrés avancés qui nécessitent des tensions d'alimentation multiples qui ne sont pas disponibles au niveau de l'alimentation des systèmes. De plus, ils ont besoin de ces tensions dans la séquence ordonnée correcte, avec une latence minimale. Les alimentations des systèmes fournissent généralement un certain nombre de tensions fixes comme 1, 3,3 et 5 volts. Un FPGA typique nécessite des tensions de l'ordre de 1,2 à 2,5 volts (Figure 1).

Figure 1 : Un FPGA typique nécessite plusieurs tensions dédiées à des fonctions spécifiques au sein du processeur. Le processeur présenté nécessite huit entrées d'alimentation dédiées utilisant trois tensions différentes. (Source de l'image : Art Pini)

À minima, un FPGA nécessite des alimentations distinctes pour son cœur et ses sections d'entrée/sortie. Le FPGA de l'exemple fonctionne avec le cœur à 1,2 volt et les fonctions d'E/S à 2,5 volts. En outre, il a besoin de six autres niveaux de puissance pour ses circuits auxiliaires. Il est évident que le fait d'avoir sept sources d'alimentation placées à proximité du FPGA pèse sur la conception de la carte à circuit imprimé. Il faut également prendre en compte la question de la dissipation de la chaleur, ce qui nécessite que les sources d'alimentation soient compactes et efficaces.

Une technologie brevetée permettant une intégration unique du système

Pour répondre à cette exigence de format, TDK a mis au point une conception propriétaire pour les convertisseurs CC/CC POL qui évite la disposition côte à côte de composants discrets. Au lieu de cela, la société utilise l'intégration 3D basée sur sa technologie de système en boîtier (SiP) SESUB (Semiconductor Embedded in SUBstrate). Des semi-conducteurs hautes performances incorporant un contrôleur PWM (modulation de largeur d'impulsion) et des MOSFET sont embarqués dans le substrat de 250 micromètres (µm) de la carte à circuit imprimé, formant un convertisseur abaisseur. L'inductance de sortie du circuit et des condensateurs sont également intégrés dans la configuration 3D, créant ainsi un boîtier ultracompact et thermiquement amélioré (Figure 2).

Figure 2 : La technologie brevetée SESUB intègre un circuit de contrôleur de puissance avancé et des MOSFET dans un substrat de 250 mm, ainsi que l'inductance de sortie du circuit et des condensateurs pour former un module convertisseur CC/CC hautement intégré. (Source de l'image : TDK Corporation)

Une solution d'alimentation POL unique

TDK utilise la technologie SESUB comme base de sa gamme μPOL (prononcez « micro-POL ») de modules d'alimentation CC/CC miniatures. Désignée sous le nom de modèles FS140x-xxxx-xx, cette famille de produits se décline en 19 sélections avec des niveaux de tension de sortie de 5, 3,3, 2,5, 1,8, 1,5, 1,2, 1,1, 1,05, 1, 0,9, 0,8, 0,75, 0,7 et 0,6 volts. Ces dispositifs prennent en charge des courants de charge continus de 3 à 6 ampères (A), selon le modèle, et sont conditionnés dans un boîtier mesurant 3,3 mm x 3,3 mm x 1,5 mm (Figure 3).

Figure 3 : Le convertisseur CC/CC μPOL ne mesure que 33,3 mm x 3,3 mm x 1,5 mm, mais peut gérer jusqu'à 15 watts. (Source de l'image : TDK Corporation)

Grâce à sa conception physique unique, cette famille de convertisseurs CC/CC peut fournir une densité de puissance allant jusqu'à 1 watt par mm³, ce qui permet à ce petit boîtier de gérer jusqu'à 15 watts.

Les tensions de sortie nominales sont réglées en usine à ±0,5 %. Une interface I²C est incluse pour permettre le contrôle local du convertisseur. Les tensions de sortie peuvent être ajustées par pas de ±5 millivolts (mV) autour de la tension nominale prédéfinie.

Examen d'un convertisseur μPOL FS1406

Le schéma fonctionnel du convertisseur CC/CC de 1,8 volt FS1406-1800-AL montre qu'en dépit de sa taille réduite, ce dispositif est doté de nombreuses fonctions de circuit sophistiquées (Figure 4).

Figure 4 : Schéma fonctionnel du convertisseur CC/CC FS1406-1800-AL montrant l'échelle de sophistication du circuit, y compris le PWM interne, le port I²C, la logique de commande et les MOSFET de sortie. (Source de l'image : TDK Corporation)

Le FS1406-1800-AL présente une sortie nominale de 1,8 volt et une capacité de charge continue de 6 A. Sa tension de sortie est programmable par I²C de 0,6 à 2,5 volts. Il nécessite une tension d'entrée de 4,5 à 16 volts et fonctionne sur une plage de températures spécifiée comprise entre -40°C et +125°C.

Le cœur de ce convertisseur CC/CC est le modulateur PWM propriétaire, conçu pour apporter une réponse rapide et transitoire. Le modulateur PWM fonctionne à une fréquence de commutation proportionnelle à la tension de sortie du convertisseur. Il comprend une compensation de stabilité interne qui lui permet de s'adapter à une variété de types de condensateurs de sortie sans avoir besoin de réseaux de compensation externes, ce qui lui confère un caractère « plug-and-play ». La sortie PWM du modulateur commande le circuit de grille pour les dispositifs de puissance MOSFET. La bobine de lissage de sortie, comme mentionné, est incluse dans le boîtier, ce qui minimise encore le nombre de composants externes.

Notez que le dispositif FS1406 comprend un régulateur interne à faible chute de tension (LDO), qui fonctionne à environ 5,2 volts pour alimenter les circuits internes et les MOSFET.

Les concepteurs doivent également prendre note des fonctionnalités de protection intégrées : une protection de démarrage progressif, une ligne d'état « Power Good » (alimentation correcte), une protection contre les surtensions, un démarrage prépolarisé, un blocage thermique avec récupération automatique et une protection contre les surintensités compensées thermiquement avec mode hiccup. Le mode hiccup coupe l'alimentation pendant une durée fixe si un événement de surintensité est détecté et répète la séquence jusqu'à ce que le défaut soit éliminé.

L'interface I²C sert à régler la tension de sortie. Elle permet également de régler les paramètres d'optimisation du système, y compris ceux des fonctions de démarrage et de protection.

Application typique

La famille FS1406 est entièrement intégrée et ajustée en usine à sa tension cible spécifiée, ce qui évite de recourir à un diviseur de tension de sortie. La conception nécessite l'ajout d'une capacité de sortie minimale pour garantir une ondulation de sortie et une régulation de charge acceptables. Elle nécessite également un condensateur d'entrée afin de gérer son besoin en courant d'entrée. Les ajouts minimaux de composants de circuit requis sont indiqués à la Figure 5.

Figure 5 : Dans une application typique, la famille de convertisseurs CC/CC μPOL FS1406 ne nécessite, à tout le moins, que l'ajout des condensateurs d'entrée et de sortie. (Source de l'image : TDK Corporation)

Les condensateurs d'entrée et de sortie doivent présenter une faible résistance série équivalente. Des condensateurs céramiques multicouches sont recommandés. La fiche technique du FS1406 fournit des informations détaillées sur le calcul des valeurs de capacité d'entrée et de sortie.

Des cartes d'évaluation au service des concepteurs

La carte d'évaluation de la version de 1,8 volt du convertisseur μPOL, l'EV1406-1800A, fournit une conception pour un convertisseur CC/CC avec une source d'entrée de 12 volts et une sortie de 1,8 volt. Elle fournit un courant de sortie de 0 à 6 A et mesure 63 mm x 84 mm x 1,5 mm (Figure 6).

Figure 6 : La carte d'évaluation EV1406-1800A mesure 63 mm x 84 mm x 1,5 mm ; le convertisseur CC/CC μPOL est encadré en jaune, ce qui donne une idée de sa taille réduite. (Source de l'image : TDK Corporation)

La taille et la capacité d'alimentation du dispositif µPOL permettent à plusieurs de ces dispositifs de s'intégrer facilement dans un FPGA ou un circuit ASIC. La carte d'évaluation, en plus de fournir un exemple de conception, comporte des emplacements de composants à montage traversant ouverts pour permettre à l'utilisateur d'expérimenter les valeurs de capacité d'entrée et de sortie. Elle possède également une embase permettant de sélectionner l'alimentation de polarisation interne du FS1406-1800 ou une source de tension externe. Une autre embase permet d'accéder facilement à l'interface I²C.

Dongle de programmation I²C

Pour faciliter la conception, TDK propose la carte de programmation I²C TDK-MICRO-POL-DONGLE qui permet de faire varier la tension de sortie par pas de ±5 mV. Elle permet également de programmer les paramètres de protection du système. La clé (dongle) fonctionne avec un progiciel GUI gratuit fourni par TDK, ce qui facilite le réglage du convertisseur.

Conclusion

Pour les concepteurs qui ont besoin d'une alimentation POL fiable et de haute intégrité avec un impact minimal sur l'espace carte, la gamme mPOL de 19 convertisseurs CC/CC de TDK offre une solution appropriée pour une grande variété d'applications. Cette famille prend en charge quatorze niveaux de tension de sortie communs, chacun étant réglable par pas de ±5 mV à l'aide d'un port I²C. La construction unique et brevetée des modules µPOL, basée sur la technologie SESUB, offre une densité de puissance élevée avec un minimum de composants de support.