Микромодули питания компании Linear Technology

Еще 20–25 лет назад все цифровые микросхемы имели номинальное напряжение питания 5 В, а аналоговые, как правило, 15 В. Чтобы обеспечить питание всей системы, достаточно было нескольких различных по мощности источников питания, которые размещались в отдельных корпусах, выполняли функции выпрямления, DC/DC-преобразования и передавали набор необходимых постоянных напряжений по отдельным шинам к соответствующим нагрузкам. Такая классическая централизованная архитектура электропитания представляет собой очень эффективное по стоимости решение.

Однако централизованная система питания обладает существенными недостатками. Блок питания должен находиться как можно ближе к нагрузке или иметь достаточно мощные шины питания для минимизации тепловых потерь. В то же время, с точки зрения безопасности и снижения электромагнитных помех, его следует устанавливать рядом с источником переменного тока. На практике при использовании централизованной архитектуры электропитания выполнить эти требования бывает довольно сложно.

Централизованные системы электропитания трудно масштабировать в случае изменения конфигурации системы. Помимо этого, для обеспечения эффективного отвода тепла в централизованной системе понадобятся громоздкие радиаторы, что не гарантирует надежную защиту системы от перегрева.

По мере распространения микросхем с разными номиналами напряжения питания предъявляются все новые требования к архитектуре системы электропитания. В современных устройствах на печатной плате одновременно могут находиться микросхемы с рабочим напряжением 0,6–15 В. При этом количество необходимых источников питания может доходить до 6–8, а токи потребления отдельных микросхем и узлов — достигать 10–15 А. При низких напряжениях питания и жестких допусках на его отклонение возникает необходимость расположения отдельных узлов питания рядом с нагрузкой. К тому же часто возникает потребность изменять напряжение в процессе работы устройства, например питания ядра процессора.

В связи с тем, что многие микроэлектронные устройства, такие как микроконтроллеры, сигнальные процессоры, АЦП, в том числе выполненные с применением ПЛИС типа FPGA, имеют несколько напряжений питания, а включение/выключение каждого подобного источника обычно выполняется в определенной временной последовательности, задача построения источника питания значительно усложняется.

Нарушение заданной последовательности включения источников питания может привести к выходу из строя отдельных ИМС или устройства в целом [1]. Кроме того, оптимальное управление включением/выключением многоуровневого источника питания защищает устройство от бросков тока в цепях питания.

Все это послужило предпосылкой к созданию концепции модульного построения источников питания. В распределенных системах модули DC/DC-преобразователей размещаются на системных платах рядом с соответствующей нагрузкой. Появление высокопроизводительных процессоров стимулировало разработку DC/DC-преобразователей для питания этих микросхем. К внедрению распределенных систем электропитания присоединились и производители аэрокосмического оборудования, что связано со стремлением данных компаний уменьшить массогабаритные характеристики своей продукции.

Для иллюстрации многоуровневой системы питания на рис. 1 приведена структурная схема процессора, выполненного на основе ПЛИС типа FPGA, с многоуровневым источником питания, который формирует напряжения V_OUT1–V_OUT4. ПЛИС семейства Xilinx Spartan‑3A имеет встроенные цепи запуска по включению питания (power-on reset circuit), причем эта ПЛИС конфигурируется только после того, как все уровни напряжений питания устанавливаются в соответствии с заданным значением.

Рис. 1. Схема включения многоуровневого источника питания

При построении систем распределенного или многоуровневого электропитания желательно иметь модули, содержащие максимальное число компонентов, необходимых для его работы, обладающих высоким КПД и имеющих малые габариты.

Всем этим условиям отвечают микромодули семейства μModule, которые выпускает компания Linear Technology Corporation [2]. На конец 2017 года компания производила 100 типов модулей, распределенных по 15 семействам.

Каждый модуль содержит индуктивный понижающий (Step-Down, Buck) или повышающе-понижающий (Buck-Boost) DC/DC-преобразователь. Причем дроссель, выходной ключ и импульсный выпрямитель преобразователя находятся внутри микро-модуля. Вне корпуса устанавливаются элементы развязки по питанию, времязадающих и вспомогательных цепей. Большая часть таких микромодулей — это стабилизаторы (источники) напряжения, но есть и стабилизаторы (источники) тока.

Для иллюстрации на рис. 2 приведена внутренняя структура микромодуля LTM8058 [2]. Как следует из рисунка, габаритные размеры модуля небольшие. Такой модуль обеспечивает два выхода, на каждом из них выходное напряжение устанавливается в пределах 1,2–12 В (при входном напряжении 3,1–36 В). Напряжение пульсаций от пика до пика не превышает 1 мВ, напряжение изоляции 3 кВ. Выходная мощность LTM8058 составляет 1,5 Вт. Диапазон рабочих температур –55…+125 °C.

Рис. 2. Внутренняя структура микромодуля LTM8058

Компания постоянно пополняет линейку микромодулей. Представление о новых семействах микромодулей, разработанных в последние годы, дает рис. 3. Подробную информацию о составе каждого семейства и основных характеристиках данных устройств можно получить в [2].

Рис. 3. Особенности новых семейств микромодулей

Рассмотрим более подробно характеристики некоторых микромодулей, чтобы создать более полное представление об их особенностях. Особый интерес вызывает семейство модулей в ультратонком корпусе, которое содержит два модуля: одноканальный LTM4622 [3] и двухканальный LTM4623 [4]. Внешний вид модулей приведен на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вид микромодулей LTM4622

Основные характеристики ультратонких модулей указаны в таблице 1.

Это семейство неизолированных микро-модулей предназначено для работы с входными напряжениями 3,3, 5 или 12 В, применяемыми в устройствах с шиной PCIe. Малая высота модулей позволяет монтировать их на обратной стороне печатной платы. Еще одно достоинство таких низкопрофильных модулей заключается в том, что они могут располагаться рядом с ПЛИС или микропроцессором и использовать общий с ними радиатор (рис. 5).

Рис. 5. Расположение микромодуля рядом с ПЛИС

Типовая схема включения модуля LTM4622, работающего в двухканальном режиме без внешней синхронизации, показана на рис. 6, а зависимость КПД микромодуля от тока нагрузки — на рис. 7.

Рис. 6. Типовая схема включения микромодуля LTM4622 в двухканальном режиме

Из графика зависимости КПД следует, что при токах нагрузки менее 0,25 А такие модули эксплуатировать нецелесообразно.

Рис. 7. Зависимость КПД преобразователя LTM4622 от тока нагрузки при различных значениях выходного напряжения

В микромодуле предусмотрен специальный режим работы с входным напряжением 3,3 В, в котором входное напряжение и напряжение внутреннего источника (INTV_CC) одинаковы. Схема включения модуля LTM4622 при входном напряжении 3,3 В приведена на рис. 8.

Рис. 8. Схема включения модуля LTM4622 при входном напряжении 3,3 В

Выходное напряжение модуля по каждому из выходов задается с помощью двух внешних резисторов. Диапазон изменения выходного напряжения от 0,6–5,5 В при входном напряжении 3,6–20 В. Максимальная частота переключения составляет 1 МГц. Для формирования выходного напряжения в диапазоне 2,5–5,5 В необходимо включить внешний резистор между выводами FREQ и GND для того, чтобы установить оптимальную рабочую частоту по минимуму пульсаций выходного напряжения.

Для работы совместно с устройствами, чувствительными к шумам и помехам, предусмотрен режим внешней синхронизации, позволяющий подстраивать частоту внутреннего генератора в пределах ±30% от установленного значения.

Внутренняя схема компенсации обеспечивает устойчивость работы при изменении емкости конденсатора, подключенного к выходу микромодуля, в широком диапазоне.

Система защиты от перенапряжения и от пониженного напряжения формирует сигнал Power Good (PGOOD) на выходе с открытым стоком, если напряжение на выходе отличается не более чем на ±8% от установленной величины. При превышении входным напряжением уровня 22,5 В срабатывает схема защиты и отсоединяет оба выходных транзистора.

Параллельная работа микромодулей обеспечивается в режиме внешней синхронизации. В этом режиме можно включать до шести модулей параллельно. На рис. 9 приведена схема соединения двух микромодулей LTM4622 параллельно, поддерживающая ток на выходе 10 А.

Рис. 9. Параллельное включение микромодулей LTM4622

Контроллер ШИМ содержит встроенный источник опорного напряжения 0,6 В. Для расчета резистора, включенного между выводом FB и общим проводом, следует воспользоваться формулой:

R_FB = 0,6 В/(V_OUT–0,6 В)×60,4 Ом.

В таблице 2 представлены значения сопротивлений для нескольких фиксированных значений выходного напряжения модуля.

При подключении нескольких выходов микромодулей параллельно все входы F_B используемых модулей соединяются параллельно, и сопротивление резистора R_FB рассчитывается по формуле:

R_FB = (0,6 B/(V_OUT–0,6 B))х(60,4 Ом/N),

где N — число параллельно подключенных выходов микромодулей LTM4622.

При использовании одновременно четырех выходов (рис. 9) рассчитанное значение сопротивления составит 22,65 кОм.

Для получения минимального уровня пульсаций к каждому выходу достаточно подсоединить керамический конденсатор емкостью не менее 22 мкФ с низким значением эквивалентного последовательного сопротивления (ESR — equivalent series resistance). При таком значении емкости обеспечивается не только малый уровень пульсаций, но и малое время переходных процессов при скачкообразном изменении нагрузки (рис. 10).

Рис. 10. Реакция модуля LTM4622 на скачок тока нагрузки

При изменении тока нагрузки от 1,25 до 2,5 А выбросы напряжения на выходах микромодуля не превышают 50 мВ. Если меняется значение выходного напряжения и частота переключения, абсолютная величина выбросов напряжения на выходе практически не изменяется.

По умолчанию внутренний генератор формирует частоту переключения силовых транзисторов F_S = 1 МГц. В большинстве приложений дополнительная настройка частоты не требуется. Если необходимо установить более высокую частоту переключения, то между выводом FREQ и общим проводом (GND) следует включить резистор, величина сопротивления которого рассчитывается по формуле:

F_S = (3,2х10¹¹)/(324 || R_FSET),

где R_FSET — сопротивление резистора, включенного между выводом FREQ и общим проводом, выраженное в омах (Ом). Значение частоты будет выражено в герцах (Гц).

Частоту переключений можно установить меньше 1 МГц, если включить резистор R_FSET между выводами FREQ и INTV_CC. В этом случае частота рассчитывается по формуле:

F_S = 1х106–((5,67х10¹¹)/R_FSET).

Диапазон изменения частоты при использовании резистора R_FSET составляет 0,8–4 МГц.

При использовании микромодулей с параллельным включением выходов следует учесть, что пульсации тока, потребляемого от источника входного напряжения, будут тем меньше, чем больше одновременно параллельно выходов подключено. Например, при использовании одного выхода и V_OUT/V_IN = 0,5 отношение среднеквадратического значения пульсации входного тока модуля к его постоянной составляющей равно 0,5, а при одновременной работе шести параллельно включенных выходов эта величина уменьшается до значения 0,075 [3], что заметно облегчает условия работы источника входного напряжения и позволяет повысить его КПД.

В одной статье невозможно рассмотреть особенности даже одного семейства микромодулей. Для получения более подробной информации о семействе ультратонких модулей следует обратиться к [3, 4]. Кроме того, на сайте компании Linear Technology можно найти информацию о других микромодулях, рекомендации по применению и множество вариантов схем включения микромодулей для решения различных задач.