通信設(shè)備制造商需要高功率輸出和小尺寸解決方案
Tony ARMstrong(ADI公司Power by Linear產(chǎn)品部門)
摘要:通信系統(tǒng)遇到諸多數(shù)字電源管理的挑戰(zhàn),需要相對簡單的功率轉(zhuǎn)換器,其具有高功率輸出和小尺寸。ADI公司的Power by Linear? μModule?穩(wěn)壓器可供選擇。
關(guān)鍵詞:通信;電源管理;轉(zhuǎn)換器;穩(wěn)壓器;模塊
1 通信系統(tǒng)的數(shù)字電源管理挑戰(zhàn)
許多通信系統(tǒng)通過48 V背板供電。此電壓通常會降至較低的中間母線電壓,通常降至12 V、5 V甚至更低,以便為系統(tǒng)內(nèi)的電路板機架供電。但是,這些電路板上的大部分子電路或IC都需要在3.x V到低至的電壓范圍內(nèi)工作,且電流從幾十毫安到幾百安培不等。因此,要從這些較高的母線電壓降至子電路或IC所需的較低電壓,必須使用負載點轉(zhuǎn)換器。除了這本身的難度外,這些電軌還有嚴格的時序、電壓精度、裕量和監(jiān)控要求也需要考慮!
由于通信設(shè)備中可能有數(shù)百個PoL電壓軌,系統(tǒng)架構(gòu)師需要通過一種簡單的方法來管理這些電軌的輸出電壓、時序和最大允許電流。如今的許多深亞微米IC數(shù)字處理器要求它們的I/O電壓在其內(nèi)核電壓之前升高。另一方面,許多DSP要求它們的內(nèi)核電壓在I/O之前得到提升。此外,關(guān)斷時序也是必不可少的。因此,系統(tǒng)架構(gòu)師需要通過一種輕松的方法來進行更改以優(yōu)化系統(tǒng)性能,并為每個DC/DC轉(zhuǎn)換器存儲特定的配置,以便簡化設(shè)計工作。
而且,大多數(shù)通信設(shè)備制造商在壓力的驅(qū)使下提高其系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率和性能,以及添加更多的功能和特性。同時,他們也面臨著降低系統(tǒng)總功耗的壓力。例如,常見的挑戰(zhàn)包括,為了降低總功耗,需要重新安排工作流程并將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未充分利用的服務器,從而使其他服務器能夠關(guān)閉。要滿足這些需求,了解終端用戶設(shè)備的功耗是非常必要的。因此,經(jīng)過恰當設(shè)計的數(shù)字電源管理系統(tǒng)(DPSM)可以向用戶提供功耗數(shù)據(jù),幫助做出明智的能源管理決策。
DPSM的一個主要優(yōu)勢是降低了設(shè)計成本并縮短了上市時間。要高效地開發(fā)復雜的多軌系統(tǒng),可以使用具有直觀圖形用戶界面(GUI)的全面開發(fā)環(huán)境。此類系統(tǒng)支持通過GUI進行更改,而不是焊接修復白線,因此也簡化了電路內(nèi)測試(ICT)和電路板調(diào)試。另一個優(yōu)勢是可以通過提供的實時遙測數(shù)據(jù)預測電源系統(tǒng)故障并采取預防措施。也許最重要的是,具有數(shù)字管理功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器允許設(shè)計人員開發(fā)符合目標性能(計算速度、數(shù)據(jù)速率等)的綠色電源系統(tǒng),且最大限度地減少在負載點、電路板、機架甚至安裝層面上使用的能源,從而降低基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品使用壽命周期的總擁有成本。畢竟,數(shù)據(jù)中心最大的運營成本是用于為冷卻系統(tǒng)供電的電力成本,目的是使數(shù)據(jù)中心內(nèi)部低于其預定的最佳運行溫度。此外,系統(tǒng)架構(gòu)師仍然需要使用一些相對簡單的功率轉(zhuǎn)換器來滿足電路板上的各種其他供電軌的要求,但放置這些供電軌的電路板面積在不斷縮小。其部分原因是無法將這些轉(zhuǎn)換器裝在電路板底部,因為機架安裝配置中有多個電路板并排放置,迫使其最大組件高度限制為2 mm。他們真正想要的是一個小尺寸的完整電源,安裝到印刷電路板(PCB)后不超過2mm。幸運的是,這種解決方案確實存在,本文將進行更詳細的討論。
2 轉(zhuǎn)換器解決方案
ADI公司的Power by Linear? μModule?穩(wěn)壓器是完整的系統(tǒng)化封裝(SiP)解決方案,可最大限度地縮短設(shè)計時間,解決通信系統(tǒng)中常見的電路板空間和功率密度問題。這些μModule產(chǎn)品是完整的電源管理解決方案,在緊湊型表貼BGA或LGA封裝內(nèi)集成控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補償組件和電感。利用Power by Linear μModule產(chǎn)品進行設(shè)計可以將完成設(shè)計過程所需的時間減少多達50%,具體取決于設(shè)計的復雜程度。此μModule穩(wěn)壓器系列將元件選型、優(yōu)化和布局等設(shè)計負擔從設(shè)計人員轉(zhuǎn)移到器件上,從而縮短整體設(shè)計時間,減少系統(tǒng)故障,最終加快產(chǎn)品上市時間。
這些μModule解決方案將分立式電源、信號鏈和隔離設(shè)計中常用的關(guān)鍵元件集成在緊湊的IC式外形尺寸中。在Power by Linear嚴格的測試和高可靠性流程的支持下,我們的μModule產(chǎn)品系列簡化了電源管理和功率轉(zhuǎn)換的設(shè)計和布局。此產(chǎn)品系列涵蓋了廣泛的應用,包括負載點穩(wěn)壓器、電池充電器、DPSM產(chǎn)品(PMBus數(shù)字管理電源)、隔離式轉(zhuǎn)換器和LED發(fā)光二極管驅(qū)動器。作為高集成度解決方案且每個器件都提供PCB Gerber文件,這些μModule功率調(diào)節(jié)器可在滿足時間和空間限制的同時提供高效率和高可靠性。此外,我們許多較新的產(chǎn)品還可實現(xiàn)符合EN類標準的低EMI解決方案。這讓系統(tǒng)設(shè)計人員能夠確信終端系統(tǒng)將滿足嚴格的噪聲性能判據(jù),從而符合最終系統(tǒng)必須滿足的許多抗噪行業(yè)標準。
再者,隨著設(shè)計資源因為系統(tǒng)復雜性的提高和設(shè)計周期的縮短而變得緊張,關(guān)注重點落在了系統(tǒng)關(guān)鍵知識產(chǎn)權(quán)的開發(fā)上。這常常意味著電源被放到一邊,直到開發(fā)周期的后期才被顧及。由于時間很短,而且專業(yè)電源設(shè)計資源可能有限,因此迫切需要開發(fā)出尺寸盡可能小的高效率解決方案,同時要對PCB的反面加以運用,使空間利用率最大化。
這是μModule穩(wěn)壓器可以提供理想解決方案的關(guān)鍵領(lǐng)域。此概念內(nèi)部復雜,但外部簡單——既有開關(guān)穩(wěn)壓器的效率,又有線性穩(wěn)壓器的易設(shè)計性。認真負責的設(shè)計、PCB布局和元件選擇對于開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計非常重要,很多經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員在職業(yè)生涯的早期聞到了電路板燃燒的獨特香味。當時間短或電源設(shè)計經(jīng)驗不足時,現(xiàn)成的μModule穩(wěn)壓器既可節(jié)省時間和空間,又可降低項目風險。
超薄μModule解決方案的一個最新范例是。這是一個雙2.5 A或兩相單5 A輸出降壓型功率調(diào)節(jié)器,采用6.25 mm × 6.25 mm × 1.8 mm超薄LGA封裝。其超薄高度接近1206外殼尺寸的焊接電容高度,允許安裝在電路板的頂部。超薄外形使它能夠滿足苛刻的高度限制,例如PCIe和嵌入式計算系統(tǒng)中的先進夾層卡所要求的高度限制,如圖1所示。
此外,ADI還推出了LTM4622A。作為LTM4622的變體,此A版本具有1.5 V至12 V的較高輸出電壓,代替0.6 V至5.5 V的非A版本。這樣,如果終端系統(tǒng)需要,系統(tǒng)設(shè)計人員可以在較高端具有更寬的輸出電壓范圍。在任一情況下,輸入電壓范圍均為3.6 V至20 V。通過Power by Linear的μModule DC/DC穩(wěn)壓器,也可輕松提供高功率和DPSM功能。由于許多穩(wěn)壓器可以在高負載電流下并聯(lián)并提供精確電流匹配(在各自1%的標稱范圍內(nèi)),它們可以減少出現(xiàn)熱點的可能性。
此外,只有一個穩(wěn)壓器需要包含DPSM功能,因為即使其余并聯(lián)器件沒有內(nèi)置DPSM功能,它也可提供完整數(shù)字接口。
借助DPSM器件,系統(tǒng)設(shè)計人員可以執(zhí)行許多不同的任務,包括如下幾點。
通過數(shù)字通信總線配置電壓,定義復雜的開/關(guān)時序布置,定義故障條件(如過壓和欠壓限值),設(shè)置重要的電源參數(shù)(如開關(guān)頻率、電流限值等)。
在同一通信總線上,可以回讀重要的工作參數(shù),如輸入電壓和輸出電壓、輸入和輸出電流、輸入和輸出功率、內(nèi)部和外部溫度,以及在某些產(chǎn)品中測量所消耗的能源。個人可以實現(xiàn)對設(shè)計的精確閉環(huán)裕量測試,并將電源電壓調(diào)整到非常精確的水平。
這些器件設(shè)計為自主式器件。一旦將它們配置好并應用輸入功率,它們就會對電源進行定序,在負載點調(diào)節(jié)非常精確的電壓,在實施用戶可配置的故障管理方案的同時持續(xù)監(jiān)控電壓和電流,并裝備非易失性故障記錄器,在檢測到故障時存儲有關(guān)電源系統(tǒng)的信息。
DPSM器件可以級聯(lián),以構(gòu)建相干的大型電源系統(tǒng)。這是通過以有線速度運行的芯片間協(xié)調(diào)總線來實現(xiàn)的。
它們包括用于器件配置和故障記錄功能的內(nèi)部NVM。
這些器件包含I 2 C/PMBus通信端口,并使用行業(yè)標準PMBus命令集控制并管理電源系統(tǒng)。
這些PSM器件都受到通用LTpowerPlay? GUI的支持。LTpowerPlay是工程級GUI,在開發(fā)時考慮了電源系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試,以及遠程客戶支持。
圖2相應地顯示了180 A加DPSM PoL解決方案的一個LTM4677(36 A DPSM μModule穩(wěn)壓器)和三個LTM4650(50 A μModule穩(wěn)壓器)并聯(lián)的應用原理圖。
3 結(jié)論
若在當今通信設(shè)備中采用DPSM功能和超薄外形功率轉(zhuǎn)換器件,電源設(shè)計人員便可通過簡單而強大的方式將高功率輸出傳送到低至0.5 V的核心電壓,且溫度范圍內(nèi)的最大直流輸出誤差為±0.5%,可滿足最新亞20 nm ASIC、GPU和FPGA等IC的需求。如果存在外形尺寸約束,則可以利用超薄外形的μModule穩(wěn)壓器(例如LTM4622A),其安裝在電路板上后外形尺寸小于2 mm,讓原本閑置的底部電路板空間派上用場。這不僅節(jié)省了寶貴的PCB面積,而且還因整體運行效率的提高減少了所需的冷卻量。
最后,在通信設(shè)備中使用μModule穩(wěn)壓器是很有意義的,因為它能顯著縮短調(diào)試時間并提高電路板面積利用率。由此將能降低基礎(chǔ)設(shè)施成本,以及系統(tǒng)生命周期的總擁有成本。這對于設(shè)計和制造這種設(shè)備的公司以及在數(shù)據(jù)中心安裝并使用這種設(shè)備的公司來說都是雙贏的。
本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第29頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處
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