Как модули PoL могут соответствовать потребностям систем с высокой плотностью монтажа

Тимоти Хегарти (Timothy Hegarty)

Преобразователи постоянного тока типа PoL (точка нагрузки) в архитектурах систем питания с промежуточной шиной широко распространены во многих областях применения, включая аппаратуру дальней связи стандартов 3G и 4G, стойки высокопроизводительных серверов в центрах обработки данных, «облачные» вычисления и ИТ-системы предприятий [1]. Полезная площадь печатной платы, заполненная различными нагрузками, в этих системах чрезвычайно ограничена.

 

В статье рассматривается регулятор в виде модуля с высокой плотностью монтажа, выполненный в миниатюрном форм-факторе. Сам по себе модуль полностью протестирован и проверен перед установкой на системную плату и даёт возможность его гибкого использования во множестве систем и областей применения. Высокая плотность мощности достигается за счёт оптимального выбора компонентов и топологии платы. При условии большого числа шин питания реализация системы с высокой плотностью мощности и недорогим регулятором имеет огромное значение. Дополнительные требования включают в себя высокую эффективность (КПД) наряду с превосходными тепловыми характеристиками, малую занимаемую площадь, низкий профиль, быструю реакцию на переходные процессы в нагрузке и совместимость со стандартными технологиями процессов поверхностного монтажа (SMT). Общий подход к достижению высокой степени плотности мощности состоит в повышении частоты переключения. С другой стороны, миниатюризация достигается стратегическим выбором компонентов при сохранении относительно низкой частоты переключения, равной 300 кГц, чтобы снизить пропорциональные частоте потери (такие как потери на переключение полевого транзистора, потери в сердечнике катушки индуктивности и электромагнитную интерференцию (ЭМИ). Стандартные, готовые к поставке компоненты снижают стоимость материалов приблизительно до 5$ США в объёмах 100 тыс./год.

Технические характеристики модуля

В таблице 1 приведён перечень технических характеристик модуля. Диапазон температур окружающей среды представлен с условием соответствующего снижения допустимого выходного тока, чтобы гарантировать отсутствие превышения рекомендованных максимальных рабочих температур компонентов.

Таблица 1. Проектные технические характеристики модуля

Параметр Обозначение Значение
Диапазон входного напряжения, В VIN 3-14
Диапазон выходного напряжения, В VOUT 0,6-5,5
Погрешность заданного значения напряжения VOUT (reg) ±1%
Диапазон выходного тока, А IOUT 0-25
Предельное значение тока, А ICL 30±10% (постоянный выходной ток)
Частота переключения, кГц fS 300 фикс.
Переходная характеристика ΔVOUT 10% (от 10 до 20 А при 2,5 А/мкс)
Время плавного запуска, мс tSS 10
Диапазон температур окружающей среды, °C TAMB -40...+85
Скорость воздушного потока Q 200 футов/мин (1 м/с)
Форм-фактор модуля (двухсторонняя ПП), мм   20×11×6,6

Принципиальная схема и выбор компонентов

На рисунке 1 изображена упрощённая схема предлагаемого изделия [3]. Размер корпуса и рекомендуемая производителем геометрия контактной площадки, относящиеся к наиболее важным компонентам схемы, указаны в таблице 2.

 Упрощённая электрическая схема миниатюрного модуля

Рисунок 1. Упрощённая электрическая схема миниатюрного модуля

 

Таблица 2. Размеры корпусов компонентов схемы и рекомендуемые геометрические размеры контактных площадок

Компонент Занимаемая площадь и высота, мм Рекомендуемые габаритные размеры контактной площадки, мм
Сдвоенный МОП-транзистор 5×6×1,5 5,15×6,24
ШИМ-контроллер 4×4×0,8 (LLP-16) 4,2×4,2
Дроссель фильтра 11,5×10,3×4 4,1×13,6
Входные/выходные конденсаторы 2×1,25×1,35 (EIA 0805) 2,2×1,3
Клеммы SMT 2×3 2,2×3,2 на основной плате

Полевые (FET) транзисторы

Сборка NexFET CSD86350Q5D — это полумостовая схема из двух МОП-транзисторов на напряжение 25 В, созданная с использованием методов 3D-интеграции при корпусировании [2]. С помощью системно-оптимизированной заземлённой подложки с выводами, толстых медных выводов и вертикальной укладки конструкцию из асимметричных МОП-транзисторов удаётся оптимизировать для достижения чрезвычайно низких показателей по паразитным элементам (C, R, L) корпуса, высокой плотности и в высшей степени эффективной работы.

Нижний синхронный и верхний управляющий полевые МОП-транзисторы имеют эффективное полное сопротивление переменному току в открытом состоянии 1,2 и 5 мОм соответственно. Рассеяние мощности полевым МОП-транзистором при выходном напряжении 1,2 В и токе 25 А, включая потери на электропроводность и переключение, при температуре р-n-перехода 100 °C, составляет 2,5 Вт.

ШИМ-контроллер

Интегральная схема синхронного ШИМ-контроллера, подобная LM27402 [3], содержит, помимо прочего, интегрированные драйверы затворов и вспомогательный регулятор напряжения. В число дополнительных характеристик можно отнести широкий диапазон входного напряжения от 3 до 20 В, управление в режиме напряжения с прямой связью по напряжению, погрешность обратной связи, равную 1% во всём температурном диапазоне, и защиту ограничителем тока на базе DCR (сопротивления индуктора).

Рассеяние мощности ИС (включая потери в вентилях) при 300 кГц составляет 0,12 Вт. При непрерывном DCR-контроле тока пиковая контрольная точка ограничителя тока устанавливается на уровне 30 А номинального тока. Разброс индукторного DCR при изменении температуры компенсируется термистором с линейным положительным температурным коэффициентом (PTC), вносящим сопутствующее изменение в пороговое напряжение ограничителя тока.

Индуктор

Индуктор с низким сопротивлением по постоянному току (DCR) и плавной характеристикой насыщения выбирается из числа двух поставщиков магнитных изделий. Основные параметры этих индукторов приведены в таблице 3. Индуктивность выбирается такой, чтобы обеспечивать пульсирующую составляющую постоянного тока, равную примерно 30% при напряжении 12 В на входе, 1,2 В на выходе и частоте 300 кГц. Потери в сердечнике в этой рабочей точке составляют 0,3 Вт. Повышение температуры компонентов при постоянном токе 25 А составляет примерно 25 °C.

Таблица 3. Параметры индуктора фильтра

Начальная индуктивность, мкГн 0,68 0,72
Тип изделия PIME104T-R68MS1R607-63 744325072
Сопротивление постоянному току, мОм 1,6 ±7% 1,3±10%
Ток насыщения, А 33 35
Макс. размеры, мм 11,5×10,3×4 11,5×10,7×5,1

Ёмкость входных и выходных керамических конденсаторов

Пять керамических конденсаторов типа 0805 обеспечивают входную фильтрацию с номинальными ёмкостью и напряжением, равными соответственно 22 мкФ ±20% и 25 В на устройство. Входные конденсаторы специально расположены вблизи МОП-транзисторов для минимизации паразитной индуктивности контура коммутации. Шесть керамических конденсаторов типа 0805 обеспечивают входную фильтрацию с номинальными ёмкостью и напряжением, равными соответственно 47 мкФ ±20% и 6,3 В на устройство. Хотя этого явно и не требуется, дополнительные накопители большой ёмкости на входе и выходе могут быть удобно расположены на основной плате рядом с контактами соответствующего модуля — их не обязательно размещать на самом модуле.

Датчик температуры

Датчик температуры, такой как LM26LV, выбран для реализации тепловой защиты на уровне модуля. В число его отличительных черт входят простота использования, крошечная занимаемая площадь, выбираемые и точные точка срабатывания по температуре и гистерезис, а также меньшая стоимость, чем у обычных схем тепловой защиты (OTP) на термисторах.

Монтаж модуля

Модуль устанавливается параллельно системной плате как навесная плата расширения. Предусмотрены три линии питания: VIN, GND, VOUT. На другом конце ПП располагаются четыре сигнальные линии: TRIM, SENSE+, EN, SGND.

Топология и тепловой расчёт ПП

Используется стандартная основа ПП типа FR-4. Подробные технические характеристики смотрите в таблице 4. Этот модуль занимает на ПП общую площадь 2,2 см2 (0,34 дюйма2), позволяя обеспечить эффективную плотность тока на единицу площади, равную 11,3 А/см2 (75 А/дюйм2). Плотность мощности на единицу объёма при напряжении 3,3 В на выходе составляет 57 Вт/см3 (930 Вт/дюйм3). Топология ПП представлена на рисунке 2.

 Топология ПП схемы POL (вид сверху вниз): a) верхний слой; б) нижний слой

Рисунок 2. Топология ПП схемы POL (вид сверху вниз): a) верхний слой; б) нижний слой

 

Таблица 4. Спецификации конструкции и топологии модуля

Параметр Значение
Мин. воздушный зазор Конт. площадка/конт. площадка 6 мил (0,15 мм)
Конт. площадка/дорожка 6 мил (0,15 мм)
Дорожка/дорожка 6 мил (0,15 мм), все слои
Корпус/корпус 10 мил (0,25 мм)
Минимальная ширина дорожки 8 мил (0,2 мм)
Минимальный F.H.S. (просвет готового отверстия) 6 мил (0,15 мм)
Минимальный размер переходного отверстия 8 мил (0,2 мм), 16 мил (0,4 мм)
Закрытые/заполненные переходные отверстия Да/нет
Толщина фольги слоя 70 мкм, все шесть слоев
Трафарет паяльной маски 6 мил

Наиболее важно, чтобы цепи затвора МОП-транзистора и обратного сигнала получались особо короткими и прокладывались при минимальной площади контура. Кроме того, малая площадь, занимаемая узлом ключа, снижает излучаемые ЭМП.

Компоненты размещаются на обеих сторонах ПП, чтобы минимизировать требуемую площадь платы (рисунок 3). Внутренние слои ПП образуют параллельные земляные шины для отвода тепла и снижения падения проводимости. Тепловые сквозные межсоединения, размещённые на выступе земли МОП-транзистора (вывод истока нижнего МОП-транзистора), удобно подключаются к внутренним земляным шинам и способствуют улучшению тепловых характеристик.

 Модуль с высокой плотностью монтажа

Рисунок 3. Модуль с высокой плотностью монтажа

Экспериментальные результаты

Для оценки рабочих характеристик схемы были записаны результаты различных экспериментальных измерений. Кривые рабочих характеристик (рисунок 4) включают в себя поведение при запуске, переходные процессы при изменении нагрузки, пульсацию выходного напряжения и напряжение коммутационного узла. Коэффициенты преобразования при нескольких выходных напряжениях показаны на рисунке 5. Эффективность, равная 91%, достигается при напряжении 1,8 В и силе тока 25 А.

 Кривые рабочих характеристик при 12 В на входе

Рисунок 4. Кривые рабочих характеристик при 12 В на входе: а) плавный запуск; б) EN ВКЛ и ВЫКЛ при предварительном смещении 0,5 В;
в) реакция на скачок нагрузки в 10 А, di/dt = 2,5 А/мкс; г) пульсация выходного напряжения и помехи; д) напряжение узла SW



 Графики эффективности модуля при входном напряжении 12 В и температуре окружающей среды 25 °C

Рисунок 5. Графики эффективности модуля при входном напряжении 12 В и температуре окружающей среды 25 °C

Литература

  1. Telecom shelter power distribution unit system block diagram: Server-Block Diagrams and Design Considerations.
  2. Learn more about NexFET Power Block MOSFET Technology: www.ti.com/nexfet-ca.
  3. "High-Performance Synchronous Buck Controller with DCR Current Sensing," Datasheet, Texas Instruments, January 2012: www.ti.com/lm27402-ca.