Однако растущая сложность процессоров, таких как FPGA и более мощные MPU, также требует большего количества путей питания. Кроме того, все чаще ядра процессоров и периферийные функции работают при более низких напряжениях питания. Высокопроизводительные процессоры также очень чувствительны к переходным напряжениям и пульсациям, а это значит, что мы должны быть очень осторожны с архитектурой питания и трассировкой силовых линий на печатной плате.
В этой статье мы обсудим жизнеспособное решение: компактные, маломощные, высокоплотные модули DC/DC-преобразователей с одним выходом.
Тенденции в мире процессоров
– По мере уменьшения размеров процессоров наблюдается тенденция к усилению функциональной интеграции внутри процессоров и программируемых логических устройств. Системы на кристалле (SoC) и системы в корпусе (SiP) приобретают популярность как способ преодоления ограничений по пространству в сложных и комплексных приложениях.
Микроконтроллеры, микропроцессоры и программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA) упаковываются в один корпус вместе с беспроводными локальными сетями, высокоскоростными сетевыми приемопередатчиками и механизмами ускорения шифрования.
Сжатие большего количества функций на одном кристалле ИС дает множество преимуществ. Однако рыночные требования к низкому энергопотреблению, возможности отключения дискретных функций и необходимости поддержания быстродействия приложений создают значительную нагрузку на проектирование источников питания.
Проблемы с электропитанием
– Специализированные и прикладные интегральные схемы, ПЛИС и высокосложные процессоры требуют множества линий питания с различными уровнями напряжения, высокодинамичными токами и строгим соблюдением нормативных требований и допусков на переходные напряжения. В этих ультраинтегрированных устройствах линии питания также должны следовать заранее определенной последовательности при запуске, чтобы предотвратить сбои в работе приложения или внутренние повреждения.
DC/DC-преобразователи являются популярным методом питания устройств с высокой потребностью в энергии и могут быть частью архитектуры с точкой нагрузки или распределенной шиной.
Для разработчиков систем питания некоторые архитектурные ограничения включают в себя пространство на плате, теплоотвод, порядок линий питания и трассировку.
Пространство на плате: Современные приложения имеют значительные ограничения по пространству, что заставляет нас оптимизировать размеры печатных плат. При выборе DC/DC-преобразователя лучше всего выбирать самый маленький вариант, но существуют и другие взаимосвязанные ограничения, как мы увидим ниже.
Теплоотвод: Эффективность и удельная мощность преобразователя являются важными характеристиками, которые следует проверять в техническом описании. КПД преобразования обычно превышает 94%, но даже это значение может генерировать остаточное тепло, которое необходимо рассеивать в зависимости от выходного тока. Поэтому при выборе преобразователя необходимо учитывать, потребуется ли какой-либо специальный радиатор, крепление или термопрокладка.
Управление переходными процессами и трассировка питания: При размещении силовых линий на печатной плате они могут подвергаться электромагнитным помехам (ЭМП) от других устройств и сигналов. Кроме того, во время скачков тока очень длинные дорожки могут генерировать переходные напряжения на больших платах. Один из способов уменьшить их влияние — разместить DC/DC-преобразователь рядом с входным контактом питания питаемого устройства, при условии, что это не нарушает тепловые пределы преобразователя и на плате достаточно места.
Последовательность подключения силовых линий: Для этого главному процессору необходимо получить доступ к контакту «Разрешение питания» на DC/DC-преобразователе. Преобразователь также должен иметь корректный выходной сигнал питания для подтверждения правильной работы.
Понижающие DC/DC преобразователи TI TPSM82xx
— серия TI TPSM82 теперь включает в себя линейки TPSM8282xA и TPSMS8286xA.
TPSM8282xA
включает в себя модули TPSM82821A, 822A и 823A, представляющие собой небольшие низкопрофильные модули понижающего преобразователя со встроенным индуктором и одним выходом на 1, 2 или 3 А. В качестве альтернативы доступны энергосберегающие, совместимые по выводам версии TPSM82821, 822 и 823. На рисунке 1 показана функциональная схема серии TPSM8282xA. 
Рисунок 1: Функциональная схема серии понижающих преобразователей TPSM8282xA (источник: TI)
Преобразователь использует топологию DCS-Control, обеспечивающую точное выходное напряжение и быструю реакцию на переходные процессы в сети и нагрузке, а также плавное переключение между режимами ШИМ и энергосбережения. Опция принудительного ШИМ позволяет преобразователю работать в режиме непрерывной проводимости во всем диапазоне нагрузок, минимизируя пульсации на выходе. Особенности TPSM8282xA включают вывод разрешения, корректное выходное напряжение питания, встроенный плавный пуск и защиту от короткого замыкания.
С помощью делителя напряжения диапазон регулируемого выходного напряжения составляет от 0,6 В постоянного тока до Vin, а варианты фиксированного выходного напряжения включают 1,2, 1,8, 2,5 или 3,3 В постоянного тока. На рисунке 2 показана реализация преобразователя с выходным напряжением 1,8 В постоянного тока (2 А).
Ток покоя снижается до 4 мкА, а типичный КПД преобразования составляет 95%.
Изображение 2: Типичная схема применения модуля преобразователя постоянного тока TPSM828222 с выходным напряжением 1,8 В постоянного тока (2 А) (источник: TI).
Микросхемы серии TPSM8282x выпускаются в компактном низкопрофильном 10-контактном корпусе microSiP (2 x 2,5 x 1,1 мм), что делает их идеальными для подачи питания рядом с выводом Vin процессора.
Оценочная плата TPSM8282xEVM-080 (рис. 3) является полезной платформой для упрощения прототипирования с использованием TPSM8282x.
Изображение 3: Оценочная плата TPSM8282xEVM-80 (источник: TI)
TPSM8286xA
имеет схожие характеристики с TPSM8282xA и состоит из модуля на 4 А (TPSM82864A) и модуля на 6 А (TPSM82866A). Эти преобразователи достигают КПД 96%, включают встроенный индуктор и могут работать в диапазоне входного напряжения 2,4–5,5 В постоянного тока. Они доступны в 13 различных версиях с фиксированным выходным напряжением, охватывающим все распространенные номинальные напряжения, или с настраиваемым выходным напряжением в диапазоне от 0,6 В до Vin.
Преобразователи TPSM8286x размещены в сверхнизкопрофильном корпусе QFN с литой оболочкой размером 3,5 x 4 x 1,4 мм (версия -826xA) или 3,5 x 4 x 1,8 мм (версия -828xAH). Высокая эффективность модуля, наряду с термопрокладкой на нижней стороне корпуса QFN, способствует превосходному управлению температурой этого преобразователя, несмотря на его компактную конструкцию.
Конструкция площадью 32 мм² (рис. 4) реализована в серии TPSM8286xA, что позволяет сэкономить ценное пространство на печатной плате и разместить его близко к выводу Vin процессора, обеспечивая при этом высокую эффективность работы и хорошие тепловые характеристики. Дополнительную информацию о рекомендуемом размещении устройства и процедурах компоновки платы можно найти в техническом описании (после каталогизации продукта потребуется ссылка на Mouser).
Изображение 4: Предлагаемый вариант компоновки в примере применения TPSM8286xA, занимающий всего 32 мм² на плате (источник: TI)
Для серии TPSM8286xA также доступна оценочная плата TPSM8286xA EVM.
После недавнего объявления Intel о прекращении поддержки любых устройств Enpirion с марта 2022 года, понижающие и нагрузочные преобразователи TI TPSM8282x и TPSM8286xA являются идеальной заменой. (Домашняя страница Mouser?)
Высокоэффективное DC/DC-преобразование и тепловая оптимизация в точке нагрузки.
Современные процессоры, FPGA и ASIC обладают высоким уровнем интеграции. Для обеспечения надежной работы необходимо тщательно продумать стратегию питания. Использование компактных, низкопрофильных, высокоэффективных DC/DC-преобразователей, таких как TPSM8282x, TPSM8282xA и TPSM8286xA, является оптимальным решением.
Автор: Марк Патрик, Mouser Electronics
