Fornire in modo efficiente alimentazione ad alta integrità ai carichi critici con un impatto minimo sullo spazio su scheda

I server per big data, così come le applicazioni come l'apprendimento automatico, l'intelligenza artificiale (IA), le celle 5G, l'IoT e il calcolo aziendale, spesso richiedono potenti ASIC, FPGA, GPU e CPU che richiedono alte correnti a basse tensioni e alta densità di potenza in spazi compatti. Per assicurare l'integrità complessiva del sistema, vengono impiegati sistemi di gestione dell'alimentazione distribuiti che portano le fonti di alimentazione c.c./c.c. direttamente al punto di carico (PoL), cioè i processori ad alte prestazioni. Possono esservi molti convertitori di potenza c.c./c.c. di questo tipo su una sola scheda, quindi il problema per i progettisti è rendere questi dispositivi il più piccolo possibile per risparmiare spazio su scheda. Allo stesso tempo, hanno bisogno di soddisfare i requisiti di prestazioni, latenza, termici, efficienza e affidabilità, semplificando il processo di progettazione e mantenendo i costi bassi.

La soluzione a questa serie di problemi combina semiconduttori ad alte prestazioni e componenti passivi utilizzando tecnologie di incapsulamento avanzate per realizzare livelli superiori di integrazione del sistema. Questo ha dimostrato di portare a dimensioni più piccole con un profilo più ribassato rispetto ad altre tecnologie attualmente disponibili, migliorando la gestione termica. Al tempo stesso, l'approccio integrato contiene i costi di progettazione, compresa la gestione delle scorte e i tempi di sviluppo.

Questo articolo discute la necessità di reti di alimentazione distribuita e il ruolo dei dispositivi di alimentazione PoL. Presenta quindi una classe di convertitori c.c./c.c. PoL di TDK Corporation che utilizza tecniche di incapsulamento avanzate per ottenere le caratteristiche di prestazione richieste. L'articolo discute anche i loro attributi salienti e mostra come i progettisti possono distribuirli per soddisfare i requisiti di distribuzione di energia elettrica PoL.

Perché usare fonti di alimentazione con convertitori c.c./c.c. PoL

Computer, server e altre apparecchiature digitali usano sempre più spesso FPGA, ASIC e altri dispositivi in CI avanzati che richiedono tensioni di alimentazione multiple non disponibili dall'alimentazione del sistema. Inoltre, le richiedono nella corretta sequenza ordinata, con una latenza minima. Gli alimentatori di sistema forniscono generalmente un certo numero di tensioni fisse come 1, 3,3 e 5 V. Un tipico FPGA richiede tensioni nell'intervallo da 1,2 a 2,5 V (Figura 1).

Figura 1: Un tipico FPGA richiede tensioni multiple dedicate a funzioni specifiche all'interno del processore. Il processore mostrato usa otto ingressi di alimentazione dedicati che utilizzano tre tensioni diverse. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Come minimo, un FPGA richiede alimentazioni separate per le sue sezioni core e I/O. L'FPGA nell'esempio funziona con il core a 1,2 V e le funzioni I/O a 2,5 V. Inoltre, richiede altri sei livelli di potenza per i circuiti ausiliari. È ovvio che avere sette fonti di alimentazione poste in prossimità dell'FPGA è un onere per la progettazione del layout della scheda CS. C'è anche da considerare la questione della dissipazione del calore, per questo le fonti di alimentazione devono essere piccole ed efficienti.

La tecnologia brevettata raggiunge un'integrazione di sistema unica

Per soddisfare il requisito delle dimensioni, TDK ha sviluppato un design proprietario per i convertitori c.c./c.c. PoL che evita il layout fianco a fianco dei componenti discreti. Utilizza invece l'integrazione 3D basata sulla sua tecnologia dei System-in-Package (SiP) SESUB (Semiconductor Embedded in SUBstrate). I semiconduttori ad alte prestazioni che incorporano un controller con modulazione della larghezza di impulso (PWM) e i MOSFET sono integrati nel substrato della scheda CS da 250 µm, formando un convertitore step-down (buck). Anche l'induttore di uscita del circuito e i condensatori sono integrati nel layout 3D creando un contenitore dal profilo termico ottimizzato ultracompatto (Figura 2).

Figura 2: La tecnologia brevettata SESUB integra un avanzato controller di potenza in CI e i MOSFET in un substrato di 250 µm, insieme all'induttore di uscita del circuito e ai condensatori per formare un modulo convertitore c.c./c.c. altamente integrato. (Immagine per gentile concessione di TDK Corporation)

Una soluzione unica di alimentazione PoL

TDK ha messo SESUB alla base della linea μPoL (pronunciato "micro-PoL") di moduli di potenza c.c./c.c. miniaturizzati. Designata dal nome FS140x-xxxx-xx, questa famiglia offre 19 prodotti con livelli di tensione di uscita di 5, 3,3, 2,5, 1,8, 1,5, 1,2, 1,1, 1,05, 1, 0,9, 0,8, 0,75, 0,7 e 0,6 V. Supportano correnti di carico continue da 3 a 6 A a seconda del modello e sono forniti in un contenitore che misura 3,3 x 3,3 x 1,5 mm (Figura 3).

Figura 3: Il convertitore c.c./c.c. μPoL misura solo 3,3 x 3,3 x 1,5 mm, ma può gestire fino a 15 W. (Immagine per gentile concessione di TDK Corporation)

Grazie al design fisico unico, questa famiglia di convertitori c.c./c.c. può fornire una densità di potenza fino a 1 W/mm³, che permette a questo contenitore compatto di gestire fino a 15 W.

Le tensioni di uscita nominali sono impostate in fabbrica entro ±0,5%. È inclusa un'interfaccia I²C per il controllo locale del convertitore. Le tensioni di uscita possono essere regolate in passi di ±5 mV sulla tensione nominale preimpostata.

Uno sguardo all'interno di un convertitore μPoL FS1406

Il diagramma a blocchi funzionali del convertitore c.c./c.c. FS1406-1800-AL da 1,8 V mostra che, nonostante le sue dimensioni ridotte, il dispositivo è ricco di funzioni circuitali ricercate (Figura 4).

Figura 4: Il diagramma a blocchi funzionali del convertitore c.c./c.c. FS1406-1800-AL mostra il livello di sofisticatezza del circuito, incluso il PWM interno, la porta I²C, la logica di controllo e i MOSFET di uscita. (Immagine per gentile concessione di TDK Corporation)

FS1406-1800-AL ha un'uscita nominale di 1,8 V e una capacità di carico continuo di 6 A. La tensione di uscita è programmabile tramite I²C da 0,6 a 2,5 V. Richiede una tensione di ingresso da 4,5 a 16 V e ha un intervallo della temperatura di funzionamento specificato da -40 a +125 °C.

Il cuore di questo convertitore c.c./c.c. è il modulatore PWM proprietario progettato per dare una risposta rapida ai transitori. Il modulatore PWM funziona a una frequenza di commutazione proporzionale alla tensione di uscita del convertitore. Include la compensazione interna della stabilità che si adatta a una varietà di tipi di condensatori di uscita senza bisogno di reti di compensazione esterne, il che lo rende "plug-and-play" a tutti gli effetti. L'uscita PWM del modulatore comanda il circuito di gate per i dispositivi di potenza MOSFET. L'induttore del filtro di uscita, come già detto, è incluso nel contenitore, riducendo ulteriormente al minimo il numero di componenti esterni.

Si noti che FS1406 include un regolatore di tensione interno a bassa caduta di tensione (LDO) che funziona a circa 5,2 V per alimentare i circuiti interni e i MOSFET.

Inoltre, i progettisti dovrebbero prendere nota delle caratteristiche di protezione incorporate che includono la protezione di avvio graduale, una linea di stato 'Power Good', la protezione da sovratensione, l'avvio pre-polarizzato, l'arresto termico con recupero automatico e la protezione da sovracorrente con compensazione termica con modo saltuario. Il modo saltuario spegne l'alimentazione per un periodo fisso se viene rilevato un evento di sovracorrente e ripete la sequenza fino all'eliminazione del guasto.

L'interfaccia I²C è usata per impostare la tensione di uscita. Permette anche l'impostazione dei parametri di ottimizzazione del sistema, compresi quelli per le funzioni di avvio e protezione.

Applicazione tipica

La famiglia FS1406 è completamente integrata ed è calibrata in fabbrica alla tensione target specificata, eliminando la necessità di un divisore di tensione di uscita. Il progetto richiede l'aggiunta di una capacità di uscita minima per assicurare un ripple di uscita accettabile e la regolazione del carico. Richiede anche un condensatore di ingresso per gestire la richiesta di corrente di ingresso. Le aggiunte minime di componenti circuitali richieste sono mostrate nella Figura 5.

Figura 5: In un'applicazione tipica, la famiglia di convertitori c.c./c.c. μPoL FS1406 richiede, come minimo, solo l'aggiunta dei condensatori di ingresso e di uscita. (Immagine per gentile concessione di TDK Corporation)

I condensatori di ingresso e di uscita dovrebbero avere una bassa resistenza equivalente in serie. Si consiglia l'uso di condensatori ceramici multistrato. La scheda tecnica FS1406 fornisce una guida dettagliata sul calcolo dei valori di capacità di ingresso e di uscita.

Le schede di valutazione vengono in aiuto dei progettisti

La scheda di valutazione per la versione a 1,8 V del convertitore μPoL è EV1406-1800A che fornisce un progetto per un convertitore c.c./c.c. con un'uscita a 1,8 V e una sorgente di ingresso a 12 V. Fornisce da 0 a 6 A di corrente in uscita e misura 63 x 84 x 1,5 mm (Figura 6).

Figura 6: La scheda di valutazione EV1406-1800A misura 63 x 84 x 1,5 mm; il convertitore c.c./c.c. μPoL è evidenziato in giallo, per dare un'idea delle sue dimensioni compatte. (Immagine per gentile concessione di TDK Corporation)

Le dimensioni e la capacità di distribuzione di energia elettrica del µPoL fanno sì che diversi di questi dispositivi si adattino facilmente a un FPGA o ASIC. La scheda di valutazione, oltre a fornire un esempio di progettazione, ha posizioni aperte per i componenti a foro passante per la sperimentazione con i valori di capacità di ingresso e di uscita. Ha anche una basetta per selezionare l'alimentazione di polarizzazione interna di FS1406-1800 o una sorgente di tensione esterna. Un'altra basetta fornisce un facile accesso all'interfaccia I²C.

Il dongle di programmazione I²C

Come ausilio di progettazione, TDK offre la scheda di programmazione I²C TDK-MICRO-PoL-DONGLE utilizzata per variare la tensione di uscita in passi di ±5 mV. Permette anche la programmazione dei parametri di protezione del sistema. Il dongle funziona con un pacchetto software GUI gratuito fornito da TDK, che semplifica la regolazione del convertitore.

Conclusione

Per i progettisti che richiedono una distribuzione dell'energia elettrica PoL affidabile e ad alta integrità con un impatto minimo sullo spazio su scheda, la linea di 19 convertitori c.c./c.c. µPoL di TDK è una soluzione ideale per un'ampia gamma di applicazioni. La famiglia supporta 14 livelli di tensione di uscita comuni, ognuno regolabile in passi di ±5 mV utilizzando una porta I²C. La costruzione unica e brevettata dei dispositivi µPoL, basata su SESUB, fornisce un'alta densità di potenza con un numero minimo di componenti ausiliari.