|
大數據服務(wù)器以及像機器學(xué)習、人工智能 (AI)、5G 手機、物聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)計算這樣的應用，通常需要強大的 ASIC、FPGA、GPU 和 CPU，而后者又需要低電壓、大電流，并在緊湊封裝內實(shí)現高功率密度。為了確保整個(gè)系統的電源完整性，目前多采用分布式電源管理系統，將 DC/DC 電源直接引入負載點(diǎn) (POL)，即高性能處理器。因此在一塊板子上可以有很多這樣的 DC/DC 電源轉換器，所以設計者面臨的問(wèn)題是如何使這些器件盡可能小，以節省板空間。同時(shí)，它們需要滿(mǎn)足性能、延遲、散熱、效率和可靠性要求，同時(shí)還要簡(jiǎn)化設計過(guò)程，降低成本。 針對這個(gè)問(wèn)題矩陣的解決方案結合了高性能半導體和無(wú)源元件，要采用先進(jìn)的封裝技術(shù)，以實(shí)現更高水平的系統集成。事實(shí)證明，與目前其他可用的技術(shù)相比，這可以實(shí)現更小的尺寸，更低的外形，同時(shí)增強了熱管理。同時(shí)，這種綜合方法可以控制設計導入成本，包括庫存管理和開(kāi)發(fā)時(shí)間。 本文討論了分布式電源網(wǎng)絡(luò )的必要性和 POL 電源設備的作用。然后，介紹了 TDK Corporation 的一類(lèi) POL DC/DC 轉換器，該類(lèi)轉換器使用了先進(jìn)的封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現所需的性能特征。文章還討論了其突出屬性，并展示了設計者如何部署它們以成功滿(mǎn)足其 POL 功率輸送的要求。 為什么要用 POL DC/DC 轉換器電源 計算機、服務(wù)器和其他數字設備越來(lái)越多地使用 FPGA、ASIC 和其他先進(jìn)的 IC 器件，而這些器件需要系統電源無(wú)法提供的多電源電壓。此外，它們還需要這些電壓以正確的順序排列，并有最小的延遲。系統電源一般提供一些固定的電壓，如 1、3.3 和 5 伏。典型的 FPGA 需要的電壓范圍是 1.2 到 2.5 伏（圖 1）。 
圖 1：典型的 FPGA 需要多個(gè)電壓用于處理器內的特定功能。圖中所示處理器使用八個(gè)專(zhuān)用電源輸入，有三個(gè)不同的電壓。（圖片來(lái)源：Art Pini） 至少，FPGA 需要為其內核和 I/O 部分單獨供電。例中的 FPGA 內核運行電壓為 1.2 伏，I/O 功能運行電壓為 2.5 伏。此外，其輔助電路還需要其他六個(gè)功率級別。很明顯，將七個(gè)電源放在離 FPGA 很近的地方會(huì )給電路板布局設計帶來(lái)負擔。還有一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是散熱，這就要求電源必須是小而高效的。 專(zhuān)利技術(shù)實(shí)現了獨特的系統集成 為了滿(mǎn)足尺寸要求，TDK 為 POL DC/DC 轉換器開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)有設計，放棄了并排的分立元件布局。相反，它采用 3D 集成方式，基于其半導體嵌入基底 (SESUB) 系統級封裝 (SiP) 技術(shù)。將包含脈沖寬度調制 (PWM) 控制器和 MOSFET 的高性能半導體嵌入到 250 微米 (μm) 的電路板基底中，形成一個(gè)降壓轉換器。電路輸出電感和電容也被集成到 3D 布局中，形成一個(gè)超緊湊的熱增強型封裝（圖 2）。
圖 2：專(zhuān)利的 SESUB 技術(shù)將一個(gè)先進(jìn)的電源控制器 IC 和 MOSFET 集成到一個(gè) 250 μm 的基底中，與電路輸出電感和電容一起構成一個(gè)高度集成的 DC/DC 轉換器模塊。（圖片來(lái)源：TDK Corporation） 一個(gè)獨特的 POL 電源解決方案 TDK 將 SESUB 作為其 μPOL（發(fā)音為 "micro-POL"）系列微型 DC/DC 電源模塊的基礎。該產(chǎn)品系列型號為 FS140x-xxxx-xx，有 19 種選擇，輸出電壓水平有 5、3.3、2.5、1.8、1.5、1.2、1.1、1.05、1、0.9、0.8、0.75、0.7 和 0.6 伏。它們支持 3 至 6 安培 (A) 的連續負載電流，具體取決于型號，封裝尺寸為 3.3 x 3.3 x 1.5 毫米 (mm) （圖 3）。
圖 3：μPOL DC/DC 轉換器尺寸只有 3.3 x 3.3 x 1.5 mm，卻可以處理高達 15 瓦的功率。（圖片來(lái)源：TDK Corporation） 由于其獨特的物理設計，這個(gè)DC/DC轉換器系列可以提供每平方毫米高達1瓦的功率密度， ，使這個(gè)小型封裝可以處理高達15瓦的功率。 標稱(chēng)輸出電壓廠(chǎng)設偏差在 ±0.5% 以?xún)�。包括一個(gè) I2C 接口，允許對轉換器進(jìn)行本地控制。輸出電壓可以在預設的額定電壓基礎之上以 ±5 毫伏 (mV) 的步階進(jìn)行調節。 FS1406 μPOL 轉換器內部結構一覽 FS1406-1800-AL 1.8 伏 DC/DC 轉換器的功能框圖顯示，盡管其尺寸很小，但器件卻包含了很多復雜的電路功能（圖 4）。
圖 4：FS1406-1800-AL DC/DC 轉換器的功能框圖展示了電路的復雜程度，包括內部 PWM、I2C 端口、控制邏輯和輸出 MOSFET。（圖片來(lái)源：TDK Corporation） FS1406-1800-AL 的標稱(chēng)輸出為 1.8 伏，連續負載能力為 6A，其輸出電壓可通過(guò) I2C 在 0.6 至 2.5 伏范圍編程設定。它要求的輸入電壓為 4.5 至 16 伏，規定工作溫度范圍為 -40℃ 至 +125℃。 該 DC/DC 轉換器的核心是專(zhuān)有的 PWM 調制器，旨在提供快速的瞬態(tài)響應。PWM 調制器的工作頻率與轉換器的輸出電壓成正比。它包括內部穩定性補償，以使其與各種輸出電容器類(lèi)型相匹配，而不需要外部補償網(wǎng)絡(luò )，從而做到“即插即用”。調制器的 PWM 輸出驅動(dòng) MOSFET 功率器件的門(mén)電路。如前所述，輸出濾波電感器包含在封裝內，進(jìn)一步減少了外部元件。 請注意，FS1406 包括一個(gè)內部低壓差 (LDO) 穩壓器，運行電壓約 5.2 伏，為內部電路和 MOSFET 供電。 此外，設計人員應注意到內置的保護功能，包括軟啟動(dòng)保護、“電源良好”狀態(tài)線(xiàn)、過(guò)壓保護、預偏置啟動(dòng)、帶自動(dòng)恢復的熱關(guān)斷以及帶打嗝模式的熱補償過(guò)流保護。如果檢測到過(guò)流事件，打嗝模式會(huì )在一個(gè)固定的時(shí)間段內關(guān)閉電源，并重復這一序列，直到故障消除。 I2C 接口用于設置輸出電壓。它還允許設置系統優(yōu)化參數，包括啟動(dòng)和保護功能的參數。 典型應用 FS1406 系列是完全集成的，在工廠(chǎng)里被微調到其規定目標電壓，不需要輸出分壓器。該設計確實(shí)需要增加一個(gè)最小的輸出電容，以確�？山邮艿妮敵黾y波和負載調整率。它還需要一個(gè)輸入電容，以處理其輸入電流要求。圖 5 顯示了所需的最小電路元件添加量。
圖 5：在一個(gè)典型的應用中，FS1406 μPOL DC/DC 轉換器系列至少只需要增加輸入和輸出電容。（圖片來(lái)源：TDK Corporation） 輸入和輸出電容應具有較低的等效串聯(lián)電阻。建議使用多層陶瓷電容器。FS1406 規格書(shū)對輸入和輸出電容值的計算提供了詳細指導。 評估板幫助設計者快速上手 μPOL 轉換器的 1.8 伏版本的評估板是 EV1406-1800A，它提供了一個(gè)具有 1.8 伏輸出和 12 伏輸入源的 DC/DC 轉換器設計。其輸出電流為 0 到 6 A，尺寸為 63 x 84 x 1.5 mm（圖 6）。
圖 6：EV1406-1800A 評估板的尺寸為 63 x 84 x 1.5 mm；μPOL DC/DC轉換器以黃色突出顯示，以吸引人們注意這個(gè)尺寸微小的器件。（圖片來(lái)源：TDK Corporation） 鑒于 μPOL 的尺寸和供電能力，我們可以輕松地將多個(gè)這樣的器件安裝到 FPGA 或 ASIC 周?chē)�。該評估板除了提供一個(gè)設計實(shí)例外，還有開(kāi)放的通孔元件位置，供用戶(hù)試驗輸入和輸出電容值。它還有一個(gè)針座，用于選擇 FS1406-1800 的內部偏置電源或外部電壓源。另一個(gè)針座提供了到 I2C 接口的接入便利。 I2C 編程加密狗 作為一個(gè)設計輔助工具，TDK 提供了 TDK-MICRO-POL-DONGLE I2C 編程板，用于以 ±5 mV 的步階改變輸出電壓。它還允許對系統保護參數進(jìn)行編程。該加密狗與 TDK 提供的免費 GUI 軟件包配套使用，簡(jiǎn)化了對轉換器進(jìn)行調節。 結語(yǔ) 對于需要高可靠性和集成度 POL 配電同時(shí)又要將對電路板空間的影響降到最小的設計者來(lái)說(shuō)，TDK mPOL 系列的 19 個(gè) DC/DC 轉換器為各種應用提供了合適的解決方案。該系列支持 14 個(gè)常見(jiàn)的輸出電壓水平，每個(gè)電壓水平都可以通過(guò) I2C 端口以 ±5 mV 的步階進(jìn)行調節。μPOL 獲得專(zhuān)利獨特架構基于 SESUB，實(shí)現了高功率密度和最小的支持元件需要。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Art Pini |
