Usar módulos integrados de CC/CC para una conversión de energía eficiente y de alta densidad con baja IEM

A medida que aumenta el nivel de integración y la proliferación de los dispositivos electrónicos, los diseñadores están bajo constante presión para mejorar la eficiencia y reducir el costo, el tamaño y la interferencia electromagnética (IEM). Si bien las fuentes de alimentación han mejorado en cuanto a densidad de potencia y eficiencia, los diseñadores también se enfrentan ahora al reto de desarrollar soluciones de alimentación de carriles múltiples para arquitecturas de procesamiento heterogéneas que podrían incluir una mezcla de ASIC, DSP, FPGA y microcontroladores.

Tradicionalmente se utilizan convertidores CC/CC de reducción para alimentar tales arquitecturas, pero con un número creciente de carriles de alimentación, el uso de convertidores discretos CC/CC de reducción con un CI de control y MOSFET de alimentación interna o externa - además de inductores y condensadores externos - puede ser complejo y llevar mucho tiempo. En su lugar, los diseñadores pueden usar módulos convertidores CC/CC con múltiples rieles y secuenciación programable que controlan mejor la IEM, tienen menos calor generado y huellas más pequeñas.

Este artículo revisará las necesidades del sistema de energía de los diseños integrados y discutirá varios enfoques y lo que los diseñadores deben considerar, antes de introducir el concepto de módulos autocontenidos de CC/CC. A continuación, utilizará un dispositivo de muestra de Monolithic Power Systems para revisar brevemente las consideraciones de diseño y disposición que los diseñadores deben tener en cuenta para maximizar los beneficios de rendimiento de estos módulos.

Por qué los sistemas empotrados necesitan muchos rieles de energía

Los diseños incorporados, como las estaciones base 5G, tienen por objeto satisfacer las necesidades de volumen de datos cada vez mayor de los teléfonos inteligentes y los dispositivos conectados inteligentes en aplicaciones como la automatización doméstica e industrial, los vehículos autónomos, la atención sanitaria y los artículos de vestir inteligentes. Estas estaciones base suelen utilizar un suministro de entrada de 48 voltios que se reduce mediante convertidores CC/CC a 24 o 12 voltios, y que luego se reduce a los numerosos sub-bandas que van desde 3.3 voltios a menos de 1 voltio para alimentar los ASIC, FPGA, DSP y otros dispositivos en las etapas de procesamiento de la banda base. A menudo, los rieles de energía necesitan secuenciarse para el arranque y el apagado, lo que aumenta la complejidad del sistema de energía para los diseñadores.

En el ejemplo de las estaciones base 5G, la CPU tradicional por sí sola ya no puede cumplir los requisitos de procesamiento. Sin embargo, hay ventajas en el uso de una tarjeta aceleradora con una FPGA para la reconfiguración del sistema, la flexibilidad, el corto ciclo de desarrollo, la computación altamente paralela y la baja latencia. Pero el espacio disponible para la fuente de alimentación de la FPGA se está reduciendo, y los requisitos de rendimiento de los rieles de energía son complicados (Figura 1):

• Compensación del voltaje de salida: La desviación del voltaje de salida del carril de voltaje debe ser menor de ±3%, y se debe dejar un margen suficiente en el diseño. Al optimizar el bucle de control para aumentar el ancho de banda y asegurar su estabilidad, el capacitor de desacoplamiento debe aplicarse y diseñarse cuidadosamente.
• Inicio monótono: El inicio de todos los rieles de voltaje debe subir monótonamente, y el diseño debe evitar que el voltaje de salida vuelva a su valor inicial.
• Ondulación de voltaje de salida: En el funcionamiento en estado estacionario, la ondulación del voltaje de salida de todos los rieles de voltaje (excepto el riel de voltaje analógico) debe ser como máximo de 10 milivoltios (mV).
• Tiempo: Los FPGA deben cumplir con requisitos de tiempo específicos durante el arranque y el apagado.

Figura 1: Debido a los crecientes requerimientos de computación, el tamaño del procesador de las tarjetas aceleradoras ha crecido, dejando poco espacio para la fuente de alimentación. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

Los procesadores requieren más corriente y potencia a medida que los requisitos de ancho de banda de procesamiento de datos se vuelven más exigentes. Los requisitos de densidad de cálculo y velocidad en punto flotante de las tarjetas aceleradoras también se están volviendo más difíciles de cumplir para la industria. La ranura de la tarjeta aceleradora suele ser PCIe estandarizada, por lo que el tamaño de la tarjeta es fijo. Debido a los crecientes requerimientos de computación, el tamaño del procesador ha crecido, dejando poco espacio para la fuente de alimentación.

Alternativas de diseño de sistemas de energía

El uso de convertidores discretos tradicionales de CC/CC con un CI de control y MOSFET de alimentación interna o externa, además de inductores y condensadores externos, es un enfoque para la alimentación del sistema incorporado. Como ya se ha dicho, es un proceso complejo y que requiere mucho tiempo por parte de los diseñadores cuando se necesitan soluciones de energía de varios carriles. Además de las consideraciones de maximización de la eficiencia y minimización del tamaño de la solución, los diseñadores deben tener cuidado con la disposición y colocación de los componentes del filtro para minimizar las IEM conducidas y radiadas causadas por las corrientes de conmutación en los circuitos del convertidor y del inductor (Figura 2).

Figura 2: Los convertidores CC/CC de paso discreto tienen múltiples fuentes de EMI que los diseñadores tienen que manejar. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

Los convertidores CC/CC habitualmente generan EMI conducida a través de campos magnéticos de la trayectoria del bucle de corriente formado entre el nodo de conmutación MOSFET de potencia de salida a tierra, y el condensador de entrada a tierra. También generan EMI de campo eléctrico radiado desde el nodo de conmutación MOSFET a la conexión del inductor, que tiene un alto dV/dt, ya que está conmutando desde el alto nivel de voltaje de entrada a tierra continuamente, y de los campos electromagnéticos generados dentro del inductor. La falta de un diseño correcto a menudo resulta en pruebas de laboratorio EMI que consumen mucho tiempo y múltiples iteraciones de diseño.

Una solución de cuatro carriles para alimentar un ASIC o FPGA usando convertidores discretos de CC/CC puede ocupar 1220 milímetros cuadrados (mm²) (Figura 3). Eso puede reducirse a unos 350 mm² utilizando una solución basada en un sistema de gestión de la energía IC (PMIC). Como alternativa, los diseñadores pueden utilizar un módulo convertidor DC/DC de cuatro salidas autónomo para reducir el tamaño de la solución a solo 121 mm², al tiempo que se simplifica el proceso de diseño y se acelera el tiempo de comercialización. Los avances en la tecnología de procesos de semiconductores y la construcción de paquetes significan que las últimas generaciones de módulos CC/CC logran una densidad de potencia muy alta, una gran eficiencia y un buen rendimiento EMI en un pequeño factor de forma.

Figura 3: El uso de una solución de módulos integrados CC/CC puede ahorrar hasta un 90% del espacio de la placa en comparación con una solución discreta. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

Las nuevas técnicas de construcción, como el flip-chip integrado y la tecnología de marcos de plomo "mesh-connect" significan que el CI, el inductor y los pasadores pueden montarse directamente en el marco de plomo sin necesidad de utilizar un alambre o una placa interna adicional (figura 4). En comparación con los estilos de construcción más antiguos que utilizan un sustrato de placa de PC interno o una unión de cables, las longitudes de los rastros de conexión pueden minimizarse, y la conexión directa a los componentes pasivos mantiene la inductancia baja para minimizar la IEM.

Figura 4: Una nueva forma de construcción que utiliza el marco de plomo para las interconexiones tiene una serie de ventajas: La IEM está mejor controlada, se mejora la disipación de calor y se reduce el tamaño de la huella. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

El uso de un formato de paquete de rejilla terrestre (LGA) que se monta en la superficie directamente en la placa de la PC de destino ofrece un perfil de IEM más bajo que los convertidores alternativos de tipo paquete de una sola línea (SIL) o SIL (SIP) con cables que pueden irradiar IEM.

Módulos integrados de CC/CC programables de cuatro salidas

Para satisfacer las necesidades de alta densidad de potencia de los sistemas empotrados, los diseñadores pueden recurrir al MPM54304 de Monolithic Power Systems (Figura 5). El MPM54304 es un completo módulo de administración de energía que integra cuatro convertidores CC/CC de alta eficiencia y reducción, inductores y una interfaz lógica flexible. Operando sobre un rango de voltaje de entrada de 4 voltios a 16 voltios, el MPM54304 puede soportar un rango de voltaje de salida de 0.55 voltios a 7 voltios. Los cuatro rieles de salida pueden soportar corrientes de hasta 3 amperios (A), 3 A, 2 A y 2 A. Los dos rieles de 3 A y los dos rieles de 2 A pueden ser paralelos para proporcionar 6 A y 4 A, respectivamente. Los diseñadores deben tener en cuenta que la máxima corriente de salida en el modo paralelo también está limitada por la disipación total de energía. Esto proporciona la flexibilidad de generar varias configuraciones de salida (sujetas a las limitaciones de disipación total de energía):

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

Figura 5: El MPM54304 es un completo módulo de administración de energía de 4 voltios a 16 voltios de entrada y cuatro de salida. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

El MPM54304 también proporciona una secuencia interna para el encendido y el apagado. Las configuraciones y secuencias del carril pueden ser preprogramadas por el fusible electrónico programable de tiempo múltiple (MTP) o a través del bus I²C.

Este convertidor CC/CC de control de frecuencia fija constante en el tiempo (COT) proporciona una rápida respuesta transitoria. Su frecuencia de conmutación predeterminada de 1.5 megahercios (MHz) reduce enormemente el tamaño del condensador externo. El reloj de conmutación se bloquea y se cambia de fase de la unidad 1 a la unidad 4 durante el funcionamiento del modo de corriente continua (CCM). El voltaje de salida se puede ajustar a través del bus I²C o prefijado por el fusible electrónico MTP.

Las características de protección total incluyen bloqueo por bajo voltaje (UVLO), protección por sobre corriente (OCP) y apagado térmico. El MPM54304 requiere un número mínimo de componentes externos y está disponible en un paquete LGA (7 mm x 7 mm x 2 mm) que ahorra espacio (Figura 6). El bajo perfil de la AGL la hace adecuada para su colocación en la parte posterior de la tabla o bajo un disipador térmico.

Figura 6: El paquete LGA MPM54304 proporciona una solución compacta y de bajo perfil con baja EMI (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

Consideraciones de diseño y disposición

El MPM54304 tiene un simple pinout a lo largo del borde, facilitando la disposición y el diseño de la placa pc. Al necesitar solo cinco componentes externos, la solución total es pequeña y compacta. El paquete LGA permite que un plano de tierra firme cubra la mayor parte del área debajo del módulo, lo que ayuda a cerrar los bucles de corrientes de remolino y reducir aún más la IEM.

Este convertidor reductor tiene una corriente de entrada discontinua y requiere un condensador para suministrar corriente alterna al convertidor mientras se mantiene el voltaje de entrada de corriente continua. Los diseñadores deberían usar condensadores de resistencia en serie de bajo equivalente (ESR) para obtener el mejor rendimiento. Se recomiendan los condensadores cerámicos con dieléctricos X5R o X7R por su baja ESR y sus pequeños coeficientes de temperatura. Para la mayoría de las aplicaciones, 22 condensadores de microfaradio (µF) son suficientes.

La disposición eficiente de la placa PC es crítica para el funcionamiento estable del MPM54304. Se recomienda una placa PC de cuatro capas para lograr un mejor rendimiento térmico (Figura 7). Para obtener los mejores resultados, los diseñadores deben seguir estas directrices:

• Mantén el circuito de energía tan pequeño como sea posible
• Usar un gran plano de tierra para conectar directamente con el PGND. Si la capa inferior es un plano de tierra, agregue vías cerca del PGND.
• Asegúrese de que los caminos de alta corriente en GND y VIN tengan trazas cortas, directas y amplias.
• Coloca el condensador de entrada de cerámica tan cerca del dispositivo como sea posible.
• Mantén el condensador de entrada y la entrada tan corta y ancha como sea posible.
• Coloca el condensador del VCC tan cerca de los pines del VCC y de la GND como sea posible.
• Conectar VIN, VOUT y GND a una gran área de cobre para mejorar el rendimiento térmico y la fiabilidad a largo plazo.
• Separar el área GND de entrada de otras áreas GND en la capa superior y conectarlas entre sí en las capas internas y la capa inferior a través de múltiples vías.
• Asegúrate de que hay un área GND integrada en la capa interna o en la capa inferior.
• Usar múltiples vías para conectar los planos de energía a las capas internas

Figura 7: Se recomienda una disposición de la placa de cuatro capas cuando se utiliza el módulo de potencia de salida cuádruple MPM54304. (Fuente de la imagen: Monolithic Power Systems)

Conclusión:

A medida que las arquitecturas de procesamiento evolucionan para hacer frente a aplicaciones de datos muy exigentes, los diseñadores se enfrentan al reto de desarrollar soluciones de potencia de múltiples rieles que puedan soportar una mayor potencia de procesamiento y electrónica en factores de forma que son estáticos o se reducen. Los convertidores CC/CC son componentes críticos en el diseño de soluciones de energía para estos sistemas, pero pueden ser complejos de implementar.

Como se muestra, los diseñadores pueden recurrir a módulos convertidores CC/CC de reducción autónoma con múltiples carriles de alimentación y secuenciación programable, simplificando el proceso de diseño y acelerando el tiempo de comercialización. Además, las nuevas técnicas de construcción que permiten a estos módulos autónomos tienen una serie de ventajas de rendimiento: La IEM está mejor controlada, la disipación de calor es mejor, y el tamaño de la huella se reduce.

Lecturas recomendadas

1. Usar módulos de potencia programables para acelerar el diseño del regulador CC/CC