以最小的電路板空間占用實(shí)現(xiàn)向關(guān)鍵負(fù)載的高集成度有效供電

作者：Art Pini

大數(shù)據(jù)服務(wù)器以及像機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能 （AI）、5G 手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)計(jì)算這樣的應(yīng)用，通常需要強(qiáng)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(nèi)實(shí)現(xiàn)高功率密度。為了確保整個(gè)系統(tǒng)的電源完整性，目前多采用分布式電源管理系統(tǒng)，將 DC/DC 電源直接引入負(fù)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(zhuǎn)換器，所以設(shè)計(jì)者面臨的問(wèn)題是如何使這些器件盡可能小，以節(jié)省板空間。同時(shí)，它們需要滿足性能、延遲、散熱、效率和可靠性要求，同時(shí)還要簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，降低成本。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題矩陣的解決方案結(jié)合了高性能半導(dǎo)體和無(wú)源元件，要采用先進(jìn)的封裝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更高水平的系統(tǒng)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(xiàn)更小的尺寸，更低的外形，同時(shí)增強(qiáng)了熱管理。同時(shí)，這種綜合方法可以控制設(shè)計(jì)導(dǎo)入成本，包括庫(kù)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(shè)備的作用。然后，介紹了 TDK Corporation 的一類 POL DC/DC轉(zhuǎn)換器，該類轉(zhuǎn)換器使用了先進(jìn)的封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的性能特征。文章還討論了其突出屬性，并展示了設(shè)計(jì)者如何部署它們以成功滿足其 POL 功率輸送的要求。

為什么要用 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器電源

計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和其他數(shù)字設(shè)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(tǒng)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(tǒng)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）。

至少，F(xiàn)PGA 需要為其內(nèi)核和 I/O 部分單獨(dú)供電。例中的 FPGA 內(nèi)核運(yùn)行電壓為 1.2 伏，I/O 功能運(yùn)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(jí)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(shè)計(jì)帶來(lái)負(fù)擔(dān)。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。

專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的系統(tǒng)集成

為了滿足尺寸要求，TDK 為 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器開(kāi)發(fā)了一種專有設(shè)計(jì)，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(dǎo)體嵌入基底（SESUB） 系統(tǒng)級(jí)封裝 （SiP） 技術(shù)。將包含脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 控制器和 MOSFET 的高性能半導(dǎo)體嵌入到 250 微米 （μm）的電路板基底中，形成一個(gè)降壓轉(zhuǎn)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(qiáng)型封裝（圖 2）。

一個(gè)獨(dú)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(chǔ)。該產(chǎn)品系列型號(hào)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(xù)負(fù)載電流，具體取決于型號(hào)，封裝尺寸為 3.3 x 3.3 x 1.5 毫米 （mm） （圖 3）。

由于其獨(dú)特的物理設(shè)計(jì)，這個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器系列可以提供每平方毫米高達(dá)1瓦的功率密度， ，使這個(gè)小型封裝可以處理高達(dá)15瓦的功率。

標(biāo)稱輸出電壓廠設(shè)偏差在 ±0.5% 以內(nèi)。包括一個(gè) I2C 接口，允許對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行本地控制。輸出電壓可以在預(yù)設(shè)的額定電壓基礎(chǔ)之上以 ±5 毫伏 （mV）的步階進(jìn)行調(diào)節(jié)。

FS1406 μPOL 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)一覽

FS1406-1800-AL 1.8 伏 DC/DC 轉(zhuǎn)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(fù)雜的電路功能（圖 4）。

FS1406-1800-AL 的標(biāo)稱輸出為 1.8 伏，連續(xù)負(fù)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(shè)定。它要求的輸入電壓為 4.5 至 16 伏，規(guī)定工作溫度范圍為 -40℃ 至 +125℃。

該 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的核心是專有的 PWM 調(diào)制器，旨在提供快速的瞬態(tài)響應(yīng)。PWM調(diào)制器的工作頻率與轉(zhuǎn)換器的輸出電壓成正比。它包括內(nèi)部穩(wěn)定性補(bǔ)償，以使其與各種輸出電容器類型相匹配，而不需要外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，從而做到“即插即用”。調(diào)制器的 PWM輸出驅(qū)動(dòng) MOSFET 功率器件的門電路。如前所述，輸出濾波電感器包含在封裝內(nèi)，進(jìn)一步減少了外部元件。

請(qǐng)注意，F(xiàn)S1406 包括一個(gè)內(nèi)部低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器，運(yùn)行電壓約 5.2 伏，為內(nèi)部電路和 MOSFET 供電。

此外，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意到內(nèi)置的保護(hù)功能，包括軟啟動(dòng)保護(hù)、“電源良好”狀態(tài)線、過(guò)壓保護(hù)、預(yù)偏置啟動(dòng)、帶自動(dòng)恢復(fù)的熱關(guān)斷以及帶打嗝模式的熱補(bǔ)償過(guò)流保護(hù)。如果檢測(cè)到過(guò)流事件，打嗝模式會(huì)在一個(gè)固定的時(shí)間段內(nèi)關(guān)閉電源，并重復(fù)這一序列，直到故障消除。

I2C 接口用于設(shè)置輸出電壓。它還允許設(shè)置系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)，包括啟動(dòng)和保護(hù)功能的參數(shù)。

典型應(yīng)用

FS1406
系列是完全集成的，在工廠里被微調(diào)到其規(guī)定目標(biāo)電壓，不需要輸出分壓器。該設(shè)計(jì)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(fù)載調(diào)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。

輸入和輸出電容應(yīng)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(guī)格書對(duì)輸入和輸出電容值的計(jì)算提供了詳細(xì)指導(dǎo)。

評(píng)估板幫助設(shè)計(jì)者快速上手

μPOL 轉(zhuǎn)換器的 1.8 伏版本的評(píng)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(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。其輸出電流為 0 到 6 A，尺寸為 63 x 84 x 1.5 mm（圖 6）。

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周圍。該評(píng)估板除了提供一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例外，還有開(kāi)放的通孔元件位置，供用戶試驗(yàn)輸入和輸出電容值。它還有一個(gè)針座，用于選擇 FS1406-1800的內(nèi)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(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)保護(hù)參數(shù)進(jìn)行編程。該加密狗與 TDK 提供的免費(fèi) GUI 軟件包配套使用，簡(jiǎn)化了對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于需要高可靠性和集成度 POL 配電同時(shí)又要將對(duì)電路板空間的影響降到最小的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，TDK mPOL 系列的 19 個(gè) DC/DC轉(zhuǎn)換器為各種應(yīng)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(diào)節(jié)。μPOL獲得專利獨(dú)特架構(gòu)基于 SESUB，實(shí)現(xiàn)了高功率密度和最小的支持元件需要。