Интегральные модули питания LTM4675/6/7 с дистанционным управлением

Разработка импульсного источника питания представляет собой сложную задачу. Очень часто при создании DC/DC-преобразователя проектировщик должен не только обеспечить заданный уровень выходной мощности, но и добиться высокой эффективности, низкой стоимости, максимальной компактности, отличной надежности, соответствия требованиям ЭМС и т. д. К сожалению, одновременно выполнить эти требования не так-то просто, тем более что они зачастую противоречат друг другу, а сами импульсные преобразователи отличаются достаточно сложной структурой, которая включает силовые ключи, выходной фильтр, DC/DC-контроллер и цепи обвязки (рис. 1). В результате разводка печатной платы становится настоящей головной болью для разработчиков, так как при проектировании необходимо учитывать не только токовую нагрузку, но и требования по ЭМС и теплоотводу. Поэтому, прежде чем на выходе получится более-менее приемлемый продукт, приходится как следует повозиться с отладкой опытных образцов.

Рис. 1. Структура традиционного DC/DC-преобразователя

Сложность процесса проектирования приводит к тому, что, создав качественный преобразователь, разработчик старается использовать его в других схемах с минимальным количеством изменений. Если же параметры этого источника питания не удовлетворяют требованиям, приходится разрабатывать новый преобразователь и опять тратить время. Выход из ситуации можно найти с помощью новых интегральных решений (рис. 2). Сейчас к услугам инженеров предлагаются не только DC/DC-контроллеры, но и DC/DC-преобразователи с интегрированными силовыми ключами. Кроме того, на рынке присутствуют и законченные модули питания со встроенным выходным фильтром (индуктивность и емкость). Такие модули могут быть реализованы по-разному: в виде обычной печатной платы с распаянными компонентами, в виде гибридной интегральной схемы или в виде монолитной интегральной схемы.

Рис. 2. Эволюция систем питания

Использование законченных модулей питания дает целый ряд преимуществ:

• практически нулевые затраты времени на разработку конечного источника питания;
• минимизация проблем с ЭМС, так как самые сложные вопросы решены производителем;
• формализация задачи теплоотвода за счет использования рекомендаций производителя;
• минимизация габаритных размеров.

Недостатки у модульных преобразователей тоже есть, например цена, однако этот параметр важен не для всех приложений.

Следует отметить, что самыми совершенными являются модули питания, выполненные по монолитной интегральной технологии, при которой все аналоговые и цифровые блоки реализованы на единой кремниевой подложке. Однако такие модули способны создавать только наиболее развитые в технологическом плане производители, такие, например, как Analog Devices. Эта компания выпускает интегральные модули питания под брендом µModule, который достался ей от выкупленной ранее Linear Technology.

Эволюция систем питания продолжается и сейчас. Свидетельством тому стало появление микросхем питания с удаленным управлением. Дело в том, что параметры рассмотренных выше импульсных преобразователей (выходное напряжение, рабочая частота, длительность задержки при включении, пороговые напряжения и т. д.) задаются «железно» на уровне схемы, например с помощью внешних резисторов и конденсаторов. Кроме того, диагностика возникающих ошибок (перегрев, короткое замыкание и т. д.) может производиться только «на месте», за счет контроля состояния соответствующих выводов микросхем. Однако современные системы питания зачастую требуют дистанционного управления и мониторинга.

Систему дистанционного управления можно создать самостоятельно, но для этого потребуются дополнительные аналоговые и цифровые блоки (АЦП, компараторы, усилители, ИОН, микроконтроллер, память и пр.). Естественно, такая схема сама по себе оказывается сложной и не всегда универсальной. Именно поэтому для упрощения жизни разработчиков были созданы интегральные микросхемы питания с цифровым управлением и возможностью удаленного контроля и мониторинга.

В настоящий момент компания Analog Devices предлагает сразу несколько типов микросхем питания с поддержкой цифрового управления — Power System Management (рис. 3). Для подключения к цифровой шине обычных DC/DC-преобразователей используются специальные PSM-контроллеры (Power System Manager), например LTC2974/75/77. Существуют также DC/DC-преобразователи со встроенным PSM-контроллером, например LTC3880 и LTC3883. Особое место в номенклатуре изделий Analog Devices занимают интегральные модули питания µModule с поддержкой PMBus — LTM4675/76/77.

Рис. 3. Распределенная система питания с цифровым управлением

PSM-контроллеры реализуют целый ряд функций дистанционного управления и контроля:

• программирование параметров: выходных напряжений, максимальных значений выходных токов, пороговых напряжений OV/UV, рабочей частоты, параметров плавного запуска и выключения, фазовых сдвигов;
• считывание текущих параметров системы: входных и выходных напряжений, входных и выходных токов, выходной мощности, коэффициента заполнения, температуры, пиковых значений токов и напряжений, ошибок.

Теперь, когда дана краткая характеристика микросхем питания со встроенными PSM-контроллерами, рассмотрим основные особенности интегральных модулей LTM4675/6/7.

Обзор семейства программируемых модулей LTM4675/6/7

В настоящий момент Analog Devices выпускает четыре типа модулей µModule с поддержкой PMBus: LTM4675, LTM4676, LTM4676A, LTM4677. Каждый из них объединяет в одном корпусе двухканальный синхронный DC/DC-преобразователь, выходной фильтр, аналоговые блоки (АЦП, усилители и т. д.), память (ОЗУ, ПЗУ, EEPROM), систему тактирования и цифровой блок управления.

Модули LTM4675/6/7 имеют одинаковую структуру и функционал, но различаются нагрузочной способностью, диапазонами входных и выходных напряжений, временем включения (таблица).

LTM4675 — самый маломощный из представленных модулей. Обеспечивает токовую нагрузку каждого канала 9 А. При параллельной работе обоих каналов выходной ток достигает 18 А. Диапазон входных напряжений для LTM4675 составляет 4,5–17 В, а диапазон подстройки выходного напряжения 0,5–5,5 В. Модуль выпускается в BGA-исполнении с габаритами 11,9×16×3,51 мм.

LTM4676 — модуль питания с выходным током каждого канала 13 А. При параллельном включении выходов токовая нагрузка достигает 26 А. Модуль работает с широким диапазоном входных напряжений 4,5–26,5 В. Подстройка выходного напряжения канала 0 выполняется в диапазоне 0,5–4 В, а канала 1 в диапазоне 0,5–5,4 В. Устройство выпускается в BGA-исполнении с габаритами 16×16×5,01 мм (рис. 4).

Рис. 4. Внешний вид программируемого модуля LTM4676 с цифровым управлением

LTM4676A — версия модуля LTM4676 с такой же токовой нагрузкой, но симметричными диапазонами изменения выходных напряжений обоих каналов 0,5–5,4 В и большей  точностью регулирования выходного  напряжения (ошибка  не  более ±0,5% max).

LTM4677 — модуль с максимальной токовой нагрузкой до 18 А при независимой работе каналов и 36 А при параллельном включении. Диапазон входных напряжений для LTM4677 меньше, чем у LTM4675/LTM4676, и составляет 4,5–16 В. Диапазон выходных напряжений также оказывается самым узким — 0,5–1,8 В. Модуль имеет повыводную совместимость с LTM4676 и LTM4676A.

Рабочие параметры модулей LTM4675/6/7 (выходные напряжения, задержки включения, рабочая частота, фазовые сдвиги и т. д.) могут устанавливаться с помощью внешних резисторов или программироваться по шине PMBus. В случае необходимости текущие параметры конфигурации записываются во встроенную энергонезависимую память EEPROM и в дальнейшем используются для настройки модуля при включении. Эта особенность полезна для случаев, когда модуль работает автономно, но требует периодической калибровки.

Среди дополнительных преимуществ интегральных модулей LTM4675/76/77 можно отметить:

высокую точность измерений токов и напряжений;

управление системой питания и отслеживание ее показаний в реальном времени с помощью бесплатной программы LTpowerPlay;

• возможность независимой работы модулей;
• возможность параллельной работы нескольких модулей на одну нагрузку;
• возможность параллельной работы нескольких модулей на разные нагрузки.

Рассмотрим внутреннюю структуру модулей на примере LTM4676.

Анализ внутренней структуры модулей LTM4676

Как уже было сказано, все представленные модули имеют одинаковую структуру, которая содержит несколько ключевых блоков: двухканальный синхронный DC/DC-преобразователь, интегрированный фильтр, аналоговые блоки (АЦП, дифференциальные усилители), цифровую схему управления, схему тактирования, память (ПЗУ, ОЗУ, EEPROM). Рассмотрим структуру модулей на примере LTM4676 (рис. 5).

Рис. 5. Внутренняя структура модулей LTM4676

Сердцем LTM4676 является двухканальный синхронный DC/DC-преобразователь, работающий с частотой коммутаций 250–1000 кГц. Кроме того, в модуль встроены элементы выходных фильтров: индуктивности и емкости. В случае с LTM4676 номинал индуктивностей составляет 600 нГн, а емкости — 2,2 мкФ. Для LTM4677 величина индуктивности несколько выше — 330 нГн.

Установка выходного напряжения может осуществляться несколькими способами. Во‑первых, с помощью внешних резисторов, подключаемых к выводам VOUTn CFG и VTRIMnCFGpins. Во‑вторых, в соответствии со значением, записанным EEPROM. В‑третьих, напряжение может быть в любой момент изменено по команде управления (VOUT_COMMAND), принимаемой по шине PMBus.

Для минимизации уровня шумов предусмотрено подключение внешних помехоподавляющих цепочек (выводы SNUB₁ и SNUB₂). При этом в модуле уже присутствуют 2,2‑нФ снабберные конденсаторы.

Для получения приемлемых уровней пульсаций выходного напряжения потребуются дополнительные входные и выходные внешние конденсаторы (С_IN и C_OUT). Подробнее об этом пойдет речь в следующем разделе статьи.

Модули способны работать в диапазоне температур –40…+125 °C. Для защиты от перегрева каждый канал имеет индивидуальный датчик температуры, еще один датчик помогает контролировать температуру DC/DC-контроллера. Точность датчиков каналов составляет ±3 °C, точность датчика контроллера ±1 °C. Тем не менее благодаря высокой разрядности АЦП разрешение при измерении температуры составляет 0,0625 °C.

Важным элементом схемы является 16‑битный ΣΔ-АЦП. Он используется для измерения всех ключевых параметров: входных и выходных токов и напряжений, показаний датчиков температур, коэффициента заполнения. При этом результаты измерений необходимы для получения вспомогательных величин (например, пиковых значений). Измерения производятся циклически. Для минимизации собственного потребления частота выборки по умолчанию составляет 10 Гц, однако практически для всех параметров частоту опроса можно увеличить до 125 кГц.

К аналоговой части модуля относится дифференциальный усилитель, который позволяет компенсировать просадку напряжения на проводах для нагрузки, подключенной к VOUT0.

DC/DC-преобразователь в LTM4676 имеет встроенную компенсацию. Однако в случае необходимости разработчик может использовать и внешние цепи компенсации, подключаемые к выводам COMP0a/COMP0b и COMP1a/COMP1b.

Тактирование модулей LTM4676 осуществляется либо от внешнего генератора, либо от встроенной схемы ФАПЧ (PLL). По умолчанию при тактировании от ФАПЧ частота коммутации для силового каскада составляет 500 кГц, при этом между каналами присутствует фазовый сдвиг 180°. Частота и фаза определяются внешним резистором, подсоединенным к выводу FSWPHCFG, и содержимым регистров FREQUENCY_SWITCH и MFR_PWM_CONFIG. Важно отметить, что управление частотой и фазой «на лету» не допускается. То есть необходимо сначала отключить выходы, а лишь потом производить изменения.

Допускается внешнее тактирование LTM4676. Для этого сигнал синхронизации должен быть подан на вход SYNC. При параллельном включении нескольких модулей LTM4676 один из них может взять на себя генерацию тактовых импульсов, а остальные становятся ведомыми. В таком случае их выводы SYNC объединяются.

Цифровое ядро LTM4676 отвечает за обеспечение обмена по шине PMBUs, формирование сигналов управления посредством регистров, обсчет данных обратной связи, получаемых от АЦП, формирование сигналов об ошибках.

Цифровые компараторы используются для защиты от просадок напряжения и перенапряжений на входе и выходах (OV/UV), а также для защиты от перегрузок по току. Уровни ограничения по току и скорость формирования сигнала ошибки определяется в регистрах IOUT_OC_WARN_LIMITn, IOUT_OC_FAULT_LIMITn, IOUT_OC_FAULT_RESPONSEn.

Цифровая система управления также позволяет задавать параметры плавного запуска и выключения.

Питание аналоговых и цифровых блоков осуществляется от встроенных регуляторов на 2,5; 3,3 и 5 В, уже имеющих интегрированные развязывающие конденсаторы.

Следует еще раз подчеркнуть, что все программируемые параметры модуля могут быть записаны во внутреннюю энергонезависимую память EEPROM и в дальнейшем считаны из нее. Однако запись нужно производить только при температурах ниже +85 °C, чтобы избежать деградации памяти. Считывание EEPROM допускается во всем рабочем диапазоне температур –40…+125 °C.

Типовые схемы включения для LTM4675/6/7 оказываются идентичными. Различия заключаются лишь в номиналах используемых внешних компонентов. Рассмотрим базовые схемы на примере LTM4676.

Типовые схемы включения LTM4675/6/7

Существует два варианта типовой схемы включения LTM4676 (рис. 6). В первом случае речь идет о работе со входными напряжениями 4,5–5,75 В (на рис. слева). Главная особенность этой схемы состоит в необходимости замыкания вывода INTV_CC на вывод SVIN. Дело в том, что вывод INTV_CC является выходом встроенного стабилизатора, питающего цепи смещения драйверов силовых ключей. Для нормальной работы стабилизатору требуется входное напряжение свыше 5,75 В. При более низких напряжениях питание драйверов следует брать напрямую со входа питания SVIN. Если же напряжение на входе схемы превышает 5,75 В, стабилизатор работает устойчиво и вывод INTV_CC необходимо оставлять неподключенным (рис. 6).

Рис. 6. Типовые схемы включения LTM4676. При входных напряжениях менее 5,75 В вывод INTVCC должен подключаться ко входу SVIN

Встроенные стабилизаторы, используемые для питания внутренних блоков, не нуждаются во внешних развязывающих конденсаторах. Исключение составляет вход SVIN. Если он подключается напрямую к входной шине V_IN, то дополнительной развязки не понадобится. Если же используется независимый источник питания, то следует поместить на входе SVIN емкость 0,1–1 мкФ.

Необходимо отметить, что, несмотря на встроенные конденсаторы фильтров, модуль все-таки требует дополнительных внешних конденсаторов. Как правило, и на входе и на выходе применяют связку из высокоэффективных развязывающих танталовых или керамических конденсаторов и электролитов высокой емкости.

Рекомендованное значение для входной емкости составляет 66 мкФ. Для этого, например, могут быть использованы несколько керамических конденсаторов общей емкостью 22 мкФ (и выше) и один электролит емкостью 47 мкФ (и выше).

Выбор емкости выходного фильтра зависит от нагрузки и требуемого уровня пульсаций. Типовой диапазон емкостей составляет 400–700 мкФ. При этом здесь вновь рекомендуется использовать керамические конденсаторы в связке с танталами и электролитами.

Как уже было сказано, установка выходных напряжений выполняется либо аппаратно с помощью внешних резисторов, подключаемых к выводам VOUTn CFG и VTRIMnCFGpins, либо программно в соответствии со значением, записанным EEPROM. Кроме этого, в процессе работы напряжение может быть в любой момент изменено по команде управления (VOUT_COMMAND), принимаемой по шине PMBus.

При независимой работе каналов LTM4676 токовая нагрузка каждого из них не превышает 13 А. Для увеличения нагрузки до 26 А допускается параллельное включение выходов (рис. 7).

Рис. 7. Для увеличения токовой нагрузки используется параллельное включение каналов модуля питания

Существует также и возможность параллельного включения четырех модулей LTM4676, при этом суммарная нагрузка достигает 100 А.

Модули LTM4677 обеспечивают выходную нагрузку 18 А при независимой работе каналов, 36 А при параллельном включении каналов и 144 А при параллельном включении восьми каналов от четырех модулей.

Для обеспечения приемлемых показателей ЭМС при разработке импульсных источников питания важно правильно выполнить расстановку компонентов и грамотно развести печатную плату.

Компоновка элементов и разводка печатной платы для LTM4675/6/7

При использовании интегральных модулей создание печатной платы упрощается по целому ряду причин. Во‑первых, наиболее критичные с точки зрения ЭМС части схемы не требуют разводки, так как оказываются спрятанными от потребителя в корпусе модуля. Во‑вторых, модуль имеет компактные габариты, что упрощает его размещение на плате. В‑третьих, вопросы теплоотвода, как правило, формализованы производителем. Разработчику необходимо лишь следовать рекомендациям или пересчитать параметры теплоотвода по предоставляемым данным.

Интегральные модули LTM4675/6/7 выпускаются в BGA-исполнении и совместимы по расположению выводов. При использовании дистанционной настройки или при записи параметров конфигурации в EEPROM число внешних компонентов оказывается минимальным, поэтому наибольшее внимание следует уделить размещению развязывающих конденсаторов. Пример разводки представлен на рис. 8.

Рис. 8. Расположение выводов оптимизировано для обеспечения простоты разводки и минимизации уровня шумов

Показатели эффективности

Для любого источника питания одним из наиболее важных показателей является эффективность. Согласно данным, приведенным в документации, КПД для модулей LTM4675/6/7 имеет стабильно высокое значение в широком диапазоне нагрузок. При этом максимум 95% ожидаемо достигается при низких входных напряжениях (рис. 9).

Рис. 9. КПД модуля LTM4676 при различных нагрузках (параллельная работа выходов):
а) VIN = 5 В;
б) VIN = 24 В

Подтверждением высокой эффективности модулей стало испытание оценочных плат LTM4676 и LTM4677 в реальных условиях (рис. 10). При входном напряжении 12 В и максимальной нагрузке каналов 13 А модуль LTM4676 без радиатора разогрелся примерно до +70 °C при потоке воздуха 200LFM. В аналогичных условиях и нагрузке 18 А для каждого канала модуль LTM4677 разогрелся до +83,5 °C.

Рис. 10. Проверка эффективности модулей LTM4676 и LTM4677 в реальных условиях:
а) отладочная плата DC1811B-A (LTM4676);
б) отладочная плата DC2066A (LTM4677)

Оценочные платы для LTM4675/6/7 представляются хорошим подспорьем для определения эффективности модулей. При этом у разработчиков есть возможность оценить их работу с помощью одного-единственного отладочного набора 2204B (рис. 11). На борту 2204B присутствуют четыре типа модулей LTM4675, LTM4676A, LTM4677, LTM4620A, а также PMC-контроллер LTC2974. Еще одним полезным инструментом для разработчиков станет программа LTpowerPlay.

Рис. 11. Оценочная плата 2204B содержит все четыре типа модулей LTM4675, LTM4676A, LTM4677, LTM4620A, а также PMC-контроллер LTC2974

Программные инструменты для работы с LTM4675/6/7

Все существующие отладочные платы для модулей питания LTM4675/6/7 имеют возможность управления и мониторинга в режиме реального времени с помощью программы LTpowerPlay. Для подключения плат к ПК применяется PMBus-контроллер DC1613A (рис. 12).

Рис. 12. Внешний вид контроллера шины PMBus DC1613A

Внешний вид LTpowerPlay представлен на рис. 13. Программа позволяет выполнять настройку модулей, а также считывать текущие показатели.

Рис. 13. Основное окно программы LTpowerPlay

Области применения LTM4675/6/7

Очевидно, что широкий функционал интегральных модулей LTM4675/6/7 будет избыточным для простых устройств. Однако существует целый ряд приложений, где возможность дистанционного управления в реальном времени оказывается крайне необходимой. Приведем лишь несколько примеров.

Динамическое управление питанием является важным элементом энергосбережения. Снижая напряжение, можно добиваться практически пропорционального уменьшения потребления. Эта функция применяется в широком спектре устройств, от компьютеров до телекоммуникационного оборудования. Так, в вычислительных системах кратковременное увеличение напряжения и рабочей частоты процессоров позволит поднять производительность. Когда пик вычислительной активности пройден, напряжение можно уменьшить для экономии энергии.

В том же сегменте телекоммуникационных устройств мониторинг состояния системы питания становится залогом высокой надежности. Обо всех неполадках можно узнать практически мгновенно, и при этом не тратить время на локализацию.

Возможность настройки параметров LTM4675/6/7 — мечта для любой промышленной POL-системы. Например, рассогласование моментов включения позволяет минимизировать просадку напряжения при старте, избежать генерации мощных помех и ложных выключений. Кроме того, рассогласование рабочих частот преобразователей помогает «размазывать» спектр шумов, улучшая показатели ЭМС. В случае с LTM4675/6/7 все это легко выполнить даже при подключении к шине новых устройств, поскольку перенастройка производится абсолютно безболезненно.

Высокоточная подстройка выходных напряжений LTM4675/6/7 позволяет добиваться высокой стабильности при работе лабораторного оборудования. При этом речь идет как о коррекции кратковременных девиаций (из-за температурных погрешностей, влажности и т. д.), так и о компенсации долгосрочных изменений, вызванных старением электронных компонентов.

Заключение

Современные интегральные модули µModule от компании Analog Devices представляют собой законченные решения, которые объединяют в одном корпусе DC/DC-контроллер, силовые транзисторы, выходной фильтр, аналоговые цепи и цифровое ядро. Это позволяет значительно упростить и ускорить процесс разработки источников питания. Кроме того, модули LTM4675/6/7 со встроенным PSM-контроллером обеспечивают возможность дистанционного управления и мониторинга.

Модули LTM4675/6/7 позволяют выполнять гибкую настройку параметров по шине PMBus: входных и выходных напряжений, максимальных значений выходных токов, пороговых напряжений OV/UV, рабочей частоты, параметров плавного запуска и выключения, фазовых сдвигов и многое другое. Эти устройства также обеспечивают дистанционный контроль входных и выходных напряжений, входных и выходных токов, коэффициента заполнения, температуры, пиковых значений токов и напряжений, ошибок и т. д.

Между собой рассмотренные модули в первую очередь отличаются максимальной токовой нагрузкой. Для LTM4675 выходной ток достигает 9/18 А, для LTM4676 и LTM4676A — 13/26 А, для LTM4677 — 18/36 А. Кроме того, для увеличения выходной мощности допускается параллельное включение модулей. Например, при параллельном включении четырех LTM4677 максимальный выходной ток достигает 144 А.