English 0 позиций в запросе!   Отправить?
Подписка на новости
Задать вопрос

Имя *

E-Mail *

Компания *

Телефон *

Вопрос *

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку своих персональных данных

Заказать образцы

Имя *

E-Mail *

Телефон *

Сайт

Компания *

Описание проекта *

Образцы предоставляются под проект

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на
обработку своих персональных данных и
обратную связь со специалистами PT Electronics

Подписка на новости

Назад

TPSM831D31 — новое решение от Texas Instruments для организации питания цифровой вычислительной техники

9 Апр 2019

Автор статьи

Вячеслав Гавриков Павел Башмаков, active@ptelectronics.ru

 

 

Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №4 (64) 2018

 

Скачать статью в PDF


Современные высокопроизводительные микросхемы, такие, например, как процессоры, ASIC и FPGA, обычно отличаются низким напряжением питания и чрезвычайно высоким током потребления. Это приводит к тому, что процесс создания источника питания для цифровых вычислительных систем оказывается достаточно сложным и имеет целый ряд особенностей. Вместе с тем на рынке появляются различные решения, способные совершить настоящую революцию в данной области. Одно из таких решений — модульные источники питания TPSM831D31 с суммарным выходным током до 160 А.


Современные высокопроизводительные микросхемы, такие, например, как процессоры, ASIC и FPGA, обычно отличаются низким напряжением питания и чрезвычайно высоким током потребления. Это приводит к тому, что процесс создания источника питания для цифровых вычислительных систем оказывается достаточно сложным и имеет целый ряд особенностей. Вместе с тем на рынке появляются различные решения, способные совершить настоящую революцию в данной области. Одно из таких решений — модульные источники питания TPSM831D31 с суммарным выходным током до 160 А.

Как известно, потребление цифровой микросхемы складывается из двух составляющих: динамической и статической. Динамическая мощность КМОП-микросхемы зависит от величины питающего напряжения и рабочей частоты:

Pd = C × V² × f,         (1)

где С — нагрузочная емкость КМОП; V — напряжение питания; f — рабочая частота. Как следует из данной формулы, наиболее эффективный способ уменьшения потребления заключается в снижении рабочего напряжения. К сожалению, расплатой за это становится увеличение тока. В настоящий момент потребление высокопроизводительных процессоров может легко превышать 100 А.

Еще одним шагом на пути к снижению потребления становится использование нескольких уровней напряжения питания. Если порты ввода/вывода обычно работают с напряжением более 1 В, то напряжение для современного процессорного ядра может быть менее 1 В. Таким образом, двухканальный (или более) источник питания (ИП) является обычным условием для цифровых процессоров и ПЛИС.

От источника питания для современного процессора также требуется высокая эффективность и компактные габаритные размеры. Кроме того, ИП должен обеспечивать чрезвычайно высокую стабильность выходного напряжения и иметь отличные динамические характеристики. В итоге организация питания для мощной вычислительной системы становится не самой простой задачей, решить которую поможет новинка от Texas Instruments — TPSM831D31 (рис. 1).

TPSM831D31

Рис. 1.
Модуль TPSM831D31 обеспечивает суммарный выходной ток до 160 А при габаритных размерах всего 15×48×12 мм

Модули TPSM831D31 построены на базе многофазных контроллеров TPS53681. Именно многофазная топология обеспечивает высокий выходной ток, малые габариты, высокую эффективность и низкий уровень помех.

Многофазная топология. Плюсы и минусы

Для организации системы питания с высокой токовой нагрузкой могут использоваться как традиционные однофазные понижающие регуляторы, так и многофазные преобразователи. В отличие от однофазного преобразователя, в котором присутствует один силовой каскад, в многофазных регуляторах предусмотрено несколько параллельных силовых каскадов с индивидуальными фильтрами. В результате выходной ток эффективно делится между фазами, что позволяет создавать суммарную нагрузку в десятки и сотни ампер.

Параллельная работа нескольких силовых каскадов обеспечивает многофазным преобразователям несколько важных преимуществ  [1]: уменьшение емкости входного и выходного конденсатора, повышение эффективности при больших токах, улучшение динамических характеристик.

Уменьшение емкости входного конденсатора

Силовые каскады в многофазных регуляторах включаются последовательно (с определенной фазовой задержкой), что приводит к увеличению частоты коммутации и, следовательно, уменьшению длительности импульсов разряда входного конденсатора. Таким образом, при одном и том же коэффициенте пульсации входного напряжения емкость входного конденсатора в многофазном преобразователе может быть меньше.

Уменьшение емкости выходного конденсатора

Объяснение примерно такое же, как и в предыдущем случае: эффективное увеличение частоты коммутации позволяет достигать тех же значений пульсаций выходного напряжения при меньшей емкости выходного конденсатора.

Улучшение тепловых характеристик и повышение КПД при больших нагрузочных токах

Значительная часть мощности, рассеиваемой в импульсном регуляторе, приходится на транзисторы силовых каскадов, а также на выходную индуктивность фильтра. При этом особые проблемы начинаются именно в области высоких токов. Обеспечение нагрузки в 100 А с помощью одного силового каскада оказывается сложной задачей, которая требует дорогой элементной базы, а также огромных усилий при разработке эффективной системы отвода тепла. При многофазной топологии ток равномерно делится между несколькими силовыми каскадами, что значительно упрощает задачу охлаждения. Кроме того, как говорилось выше, уменьшение уровня пульсаций входного и выходного напряжения приводит к снижению потерь в конденсаторах фильтров.

Потери на силовых транзисторах импульсного преобразователя напряжения включают статическую и динамическую составляющую. Очевидно, что рост числа силовых каскадов автоматически увеличивает динамическую составляющую потерь мощности. Чтобы этого не происходило, современные контроллеры, в частности TPS53681, имеют возможность автоматического отключения фаз при низкой нагрузке (Dynamic Phase Shedding, DPS). Обычно при небольшом выходном токе активным остается только один силовой каскад. С ростом тока статическая составляющая потерь начинает превалировать над динамической. Поэтому в точке «перелома» контроллер активирует еще один силовой каскад, чтобы уменьшить потери проводимости. Далее с увеличением нагрузки активируется третий силовой каскад, четвертый и т. д. При отсутствии функции DPS на графике зависимости КПД от тока нагрузки наблюдаются значительные перепады. Если же контроллер имеет встроенную функцию DPS, то изломы на графике КПД практически незаметны.

Улучшение динамических характеристик

Благодаря высокой рабочей частоте многофазный регулятор, как правило, значительно лучше реагирует на изменение входного напряжения или нагрузки по сравнению с однофазным преобразователем.

Вместе с тем важно понимать, что у многофазной топологии есть и недостатки. Она требует сложной системы управления фазами и жесткого контроля над равномерным распределением тока между силовыми каскадами. Кроме того, несмотря на уменьшение общей емкости конденсаторов, их число, как и число транзисторов и индуктивностей, повышается. Это, в свою очередь, приводит к увеличению габаритов и усложнению разводки печатной платы.

Проблемы с управлением фазами и с выравниванием тока решаются с помощью специализированных контроллеров. Например, в многофазном двухканальном контроллере TPS53681 применяется особая интегральная технология измерения тока, которая помогает избавиться от внешних измерительных резисторов. С одной стороны, это приводит к уменьшению габаритов конечного устройства, а с другой — снижает уровень потерь мощности.

Вторая группа проблем, связанная с габаритами, разводкой печатной платы и монтажом, в настоящий момент может быть решена с помощью готовых модулей, например TPSM831D31.

Обзор основных характеристик TPSM831D31

TPSM831D31 — четырехфазный двухканальный модульный источник питания с управлением по PMBus и входным напряжением 8–14 В, имеет два выходных канала с программируемым напряжением 0,25–1,52 В. Канал А сформирован тремя силовыми каскадами и способен обеспечивать токовую нагрузку до 120 А. Канал B использует один силовой каскад с максимальной токовой нагрузкой до 40 А. Канал А обычно предназначен для питания процессорного ядра, а канал B — для питания портов ввода/вывода (рис. 2).

Схема системы питания при использовании TPSM831D31

Рис. 2.
Схема системы питания при использовании TPSM831D31

Схема включения TPSM831D31 чрезвычайно проста благодаря тому, что модуль имеет в своем составе все необходимые функциональные узлы: четыре силовых каскада с индивидуальными выходными фильтрами и многофазный контроллер (рис. 3). В свою очередь, многофазный контроллер объединяет логику управления, драйверы силовых ключей, схему измерения тока и напряжения, энергонезависимую память, а также функции защиты и поддержку PMBus.

Внутренняя структура TPSM831D31

Рис. 3.
Внутренняя структура TPSM831D31

Большим достоинством TPSM831D31 является управление по шине PMBus с рабочей частотой до 1 МГц. С помощью PMBus могут быть настроены различные параметры источника питания:

  • выходное напряжение в диапазоне 0,25 – 1,52 В с шагом 5 мВ;
  • рабочая частота в диапазоне 350–700 кГц;
  • допустимый и аварийный выходной ток;
  • допустимый и аварийный нижний порог входного напряжения UVLO;
  • допустимый и аварийный верхний порог входного напряжения OV;
  • параметры плавного запуска;
  • температура допустимого перегрева.

Для корректной настройки напряжения на нагрузке с точностью до ±0,5 % применяется удаленный контроль напряжения. Для этого используются дифференциальные входы AVSP-AVSN и BVSP-BVSN.

Среди особенностей TPSM831D31 также следует отметить наличие выходов PGOOD для каждого канала.

Диапазон рабочих температур окружающей среды для модуля TPSM831D31 составляет –40…+105 °C.

Несмотря на значительное количество компонентов, габариты TPSM831D31 чрезвычайно компактны: 15×48×12 мм.

Особенности конструкции TPSM831D31

Конструктивно TPSM831D31 представляет собой печатную плату с нижним расположением контактных площадок для поверхностного монтажа. Силовые контакты входов, выходов и «земли» выполнены в виде массивных полигонов с финишным покрытием иммерсионного золота на никеле (ENIG, Electroless Nickel Immersion Gold) (рис. 4).

Особенности исполнения модулей TPSM831D31

Рис. 4.
Особенности исполнения модулей TPSM831D31

Сравнение распиновки с конкурирующими решениями, преимущества новинки от Texas Instruments очевидны

Рис. 5.
Сравнение распиновки с конкурирующими решениями, преимущества новинки от Texas Instruments очевидны

Интересной особенностью TPSM831D31 является наличие дополнительных вырезов на контактных площадках — технология Gaseous Egress Technology (GET). Эти вырезы имеют ширину 250 мкм и свободны от меди и паяльной маски. Как следует из названия, главная функция GET заключается в отводе газов, образующихся при закипании флюса при монтаже модуля. Такое решение, с одной стороны, защищает от образования полостей в паяном соединении, а с другой — предотвращает возникновение шариков припоя, которые потенциально могут вызывать короткие замыкания.

Еще одна особенность модуля — дополнительные переходные отверстия на контактных площадках (рис. 5). Они необходимы для улучшения теплоотвода от силовых транзисторов. Проблема теплоотвода является чрезвычайно важной для силовых модулей. Благодаря высокому КПД и удачной тепловой конструкции модули TPSM831D31 в некоторых случаях способны работать даже при отсутствии внешнего охлаждения.

Кроме того, подобное исполнение типа open frame значительно облегчает разводку печатной платы разрабатываемого изделия и уменьшает вероятность брака при дальнейшей распайке компонента по сравнению с аналогичными продуктами от прочих вендоров в корпусах типа LGA и BGA, которые требуют дорогостоящего оборудования для отбраковки, например, непропая.

КПД, потери и охлаждение модулей TPSM831D31

Модули TPSM831D31 имеют высокий КПД до 95% в широком диапазоне нагрузок (рис. 6). Как видно из графиков, работа канала А оптимизирована для диапазона токов более 10 А, где КПД составляет примерно 90–95%. Для канала B аналогичные значения КПД достигаются в диапазоне 5–40 А. Несмотря на то, что в TPSM831D31 используется многофазная топология, переломы на графике зависимости КПД от тока нагрузки практически отсутствуют, что является следствием автоматической активизации дополнительных каскадов при увеличении нагрузки (Dynamic Phase Shedding, DPS).

При выходном напряжении 1 В и токе 120 А выходная мощность модуля питания составляет 120 Вт. С учетом КПД (примерно 90%) мощность потерь достигает примерно 12 Вт. Графики мощности потерь для обоих каналов представлены на рис. 7.

Диапазон рабочих температур окружающей среды для модуля TPSM831D31 составляет –40…+105 °C, однако это справедливо для ограниченного диапазона нагрузок (рис. 8). При работе с токами до 50 А модули TPSM831D31 не требуют дополнительного охлаждения. При отсутствии обдува полная нагрузка 160 А допустима только при температурах до +35 °С. При дополнительном обдуве 400 LFM максимальная рабочая температура увеличивается до +80 °С.

КПД каналов TPSM831D31 при различных выходных напряжениях и токах

Рис. 6.
КПД каналов TPSM831D31 при различных выходных напряжениях и токах

Потери каналов TPSM831D31 при различных выходных напряжениях и токах

Рис. 7.
Потери каналов TPSM831D31 при различных выходных напряжениях и токах

Допустимая температура окружающей среды при различном объеме воздушного потока и при различной нагрузке модулей TPSM831D31

Рис. 8.
Допустимая температура окружающей среды при различном объеме воздушного потока и при различной нагрузке модулей TPSM831D31

Модули TPSM831D31 отличаются высокой нагрузочной способностью, компактными размерами и отличной организацией отвода тепла даже при отсутствии дополнительного обдува. Все это делает их оптимальным вариантом при построении систем питания для различных вычислительных систем: высокопроизводительных процессоров и ASIC, сетевых процессоров (Broadcom, Cavium, Marvell, Microsemi, NXP), мощных ПЛИС (Intel, Xilinx), производительных процессоров на базе ARM-ядер.

Для того чтобы оценить работу TPSM831D31, можно воспользоваться отладочным набором TPSM831D31EVM.

Отладочный набор TPSM831D31EVM

На отладочной плате TPSM831D31EVM размещен силовой модуль TPSM831D31, клеммные колодки для подключения нагрузки, разъем PMBus, клеммы для удаленного мониторинга напряжения на нагрузке, тестовые генераторы импульсов для каждого канала (рис. 9).

Внешний вид отладочного набора TPSM831D31EVM

Рис. 9. Внешний вид отладочного набора TPSM831D31EVM

Генераторы импульсов необходимы для имитации быстрого изменения нагрузки в диапазоне до 60 А со скоростью нарастания/спада до 100 А/мкс. Каждый генератор представляет собой схему управления и силовой транзистор, работающий в линейной области. Для модуляции сопротивления канала транзистора необходим внешний генератор.

Демонстрационное ПО для работы с TPSM831D31EVM

Рис. 10. Демонстрационное ПО для работы с TPSM831D31EVM

Для удобной работы с платой TPSM831D31EVM предлагается бесплатная программная утилита с графическим интерфейсом пользователя (GUI), которая требует дополнительного PMBus-монитора для связи с ПК (рис. 10). Программа позволяет настраивать работу модуля TPSM831D31 и контролировать рабочие параметры (ток, напряжение, температуру и т. д.).

Заключение

TPSM831D31 — двухканальный модульный преобразователь напряжения с токовой нагрузкой до 160 А. Использование TPSM831D31 позволяет максимально упростить процесс разработки системы питания для широкого спектра высокопроизводительных цифровых вычислительных микросхем (процессоров, ASIC и ПЛИС).

Данный преобразователь напряжения отличается высокой мощностью, компактными габаритами, простотой монтажа и высоким КПД до 95%. Особую гибкость модулю обеспечивает возможность настройки и диагностики параметров с помощью шины PMBus.