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 VOUT1–VOUT4. 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.
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.
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].
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.
Основные характеристики ультратонких модулей указаны в таблице 1.
Параметр |
LTM4622 |
LTM4623 |
Число каналов |
2 |
1 |
Диапазон входных напряжений, В |
3,6–20 |
4–20 |
Диапазон выходных напряжений, В |
0,6–5,5 |
0,6–5,5 |
Выходной ток одного канала, А |
5 |
3 |
Выходной ток каждого канала при работе двух каналов одновременно, А |
2,5 (3 Апик.) |
– |
Частота преобразования, синхронизируемая внешним генератором, МГц |
0,56–4 |
0,56–4 |
Максимальное число параллельно соединенных выходов модулей/выходной ток |
×8/20 А |
×12/36 А |
Диапазон рабочих температур, °C |
–40…+125 |
–40…+125 |
Габаритные размеры, мм |
6,25×6,25×1,82 |
6,25×6,25×1,82 |
Тип корпуса |
LGA |
LGA |
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).
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.
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 (INTVCC) одинаковы. Схема включения модуля LTM4622 при входном напряжении 3,3 В приведена на рис. 8.
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.
Контроллер ШИМ содержит встроенный источник опорного напряжения 0,6 В. Для расчета резистора, включенного между выводом FB и общим проводом, следует воспользоваться формулой:
RFB = 0,6 В/(VOUT–0,6 В)×60,4 Ом.
В таблице 2 представлены значения сопротивлений для нескольких фиксированных значений выходного напряжения модуля.
VOUT, B |
0,6 |
1 |
1,2 |
1,5 |
1,8 |
2,5 |
3,3 |
5 |
RFB, кОм |
– |
90,9 |
60,4 |
40,2 |
30,1 |
19,1 |
13,3 |
8,25 |
При подключении нескольких выходов микромодулей параллельно все входы FB используемых модулей соединяются параллельно, и сопротивление резистора RFB рассчитывается по формуле:
RFB = (0,6 B/(VOUT–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).
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 FS = 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:
FS = (3,2х1011)/(324 || RFSET),
где RFSET — 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 RFSET между выводами FREQ и INTVCC. В этом случае частота рассчитывается по формуле:
FS = 1х106–((5,67х1011)/RFSET).
Диапазон изменения частоты при использовании резистора RFSET 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 VOUT/VIN = 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.
- Эспириту Дж. Об особенностях управления включения/выключения многоуровневых источников питания / ЭКИС. 2015. № 2.
- www.cds.linear.com/docs/en/product-selector-card/32PB_%C2%B5module.pdf
- www.cds.linear.com/docs/en/datasheet/4622fd.pdf
- www.cds.linear.com/docs/en/datasheet/4623fc.pdf