Fornecendo energia de alta integridade, de forma eficiente, para cargas críticas com impacto mínimo no espaço da placa

Grandes servidores de dados, assim como aplicações como aprendizagem de máquinas, inteligência artificial (IA), células 5G, IoT e computação empresarial, frequentemente necessitam de ASICs, FPGAs, GPUs e CPUs potentes que demandam altas correntes em baixas tensões e alta densidade de energia em pegadas compactas. Para garantir a integridade geral do sistema, estão sendo empregados sistemas de gerenciamento de energia distribuída que levam as fontes de alimentação CC/CC diretamente ao ponto de carga (POL), ou seja, os processadores de alto desempenho. Pode haver muitos conversores de energia CC/CC em uma única placa, então o problema que os projetistas enfrentam é tornar estes dispositivos tão pequenos quanto possível para economizar espaço na placa. Ao mesmo tempo, eles precisam atender aos requisitos de desempenho, latência, capacidade térmica, eficiência e confiabilidade, ao mesmo tempo em que simplificam o processo de projeto e mantêm os custos baixos.

A solução para esta matriz de problemas combina semicondutores de alto desempenho e componentes passivos usando tecnologias avançadas de empacotamento para realizar níveis mais altos de integração do sistema. Isto demonstrou alcançar um tamanho menor com um perfil menor em comparação com outras tecnologias atualmente disponíveis, ao mesmo tempo em que melhora o gerenciamento térmico. Ao mesmo tempo, a abordagem integrada mantém um controle sobre os custos de projeto, incluindo gerenciamento de estoque e tempo de desenvolvimento.

Este artigo discute a necessidade de redes de energia distribuída e o papel dos dispositivos de energia POL. Em seguida, introduz uma classe de conversores POL CC/CC da TDK Corporation que utilizam técnicas avançadas de empacotamento para atingir as características de desempenho exigidas. O artigo também discute seus atributos notáveis e mostra como os projetistas podem implantá-los para atender com sucesso os requisitos de fornecimento de energia do POL.

Por que fontes de alimentação do conversor POL CC/CC?

Computadores, servidores e outros equipamentos digitais utilizam cada vez mais FPGAs, ASICs e outros dispositivos avançados de CI que necessitam de várias tensões da fonte de alimentação que não estão disponíveis na fonte de alimentação do sistema. Além disso, eles exigem essas tensões na sequência ordenada correta com latência mínima. As fontes de alimentação do sistema geralmente fornecem uma série de tensões fixas como 1, 3,3 e 5 volts. Um FPGA típico requer tensões na faixa de 1,2 a 2,5 volts (Figura 1).

Figura 1: Um FPGA típico requer várias tensões dedicadas a funções específicas dentro do processador. O processador mostrado utiliza oito entradas de alimentação dedicadas, utilizando três tensões diferentes. (Fonte da imagem: Art Pini)

No mínimo, um FPGA requer alimentações separadas para seu núcleo e seções de E/S. O FPGA no exemplo funciona com o núcleo a 1,2 volts e as funções de E/S a 2,5 volts. Além disso, requer seis outros níveis de energia para seus circuitos auxiliares. É óbvio que ter sete fontes de alimentação colocadas nas proximidades do FPGA coloca um fardo no projeto do layout da placa de circuito impresso. Existe também a questão da dissipação de calor a ser considerada, tornando necessário que as fontes de alimentação sejam pequenas e eficientes.

A tecnologia patenteada consegue uma integração exclusiva do sistema

Para atender aos requisitos de tamanho, a TDK desenvolveu um projeto proprietário para conversores POL CC/CC que prescinde do layout lado a lado dos componentes discretos. Em vez disso, utiliza a integração 3D baseada em sua tecnologia SiP (sistema no pacote) de Semicondutor Embutido no SUBstrato (SESUB). Os semicondutores de alto desempenho que incorporam um controlador de modulação de largura de pulso (PWM) e MOSFETs são embutidos no substrato de 250 micrômetros (µm) sobre a placa de circuito impresso, formando um conversor abaixador (buck). O indutor de saída do circuito e os capacitores também são integrados no layout 3D criando um pacote ultracompacto e termicamente melhorado (Figura 2).

Figura 2: A tecnologia patenteada SESUB integra um CI controlador de energia avançado e MOSFETs em um substrato de 250 µm, com capacitores e o indutor de saída do circuito para formar um módulo conversor CC/CC altamente integrado. (Fonte da imagem: TDK Corporation)

Uma solução exclusiva de alimentação POL

A TDK tem o SESUB como base de sua linha μPOL (pronuncia-se "micro-POL") de módulos de energia CC/CC em miniatura. Designados como modelos FS140x-xxxx-xx, a família de produtos vem em 19 seleções com níveis de tensão de saída de 5, 3,3, 2,5, 1,8, 1,5, 1,2, 1,1, 1,05, 1, 0,9, 0,8, 0,75, 0,7 e 0,6 volts. Suportam correntes de carga contínua de 3 a 6 ampères (A) dependendo do modelo e vêm em um invólucro de 3,3 x 3,3 x 1,5 milímetro (mm) (Figura 3).

Figura 3: O conversor μPOL CC/CC mede apenas 3,3 x 3,3 x 1,5 mm, mas pode suportar até 15 watts. (Fonte da imagem: TDK Corporation)

Devido ao seu design físico exclusivo, esta família de conversores CC/CC pode fornecer uma densidade de potência de até 1 watt por mm³, permitindo que este pequeno invólucro lide com até 15 watts.

As tensões nominais de saída são ajustadas de fábrica a ±0,5 %. Está incluída uma interface I²C que permite o controle local do conversor. As tensões de saída podem ser ajustadas em passos de ±5 milivolts (mV) sobre a tensão nominal pré-definida.

Uma visão geral do conversor μPOL FS1406

O diagrama de blocos funcionais do conversor CC/CC de 1,8 volts FS1406-1800-AL mostra que, apesar de seu tamanho reduzido, o dispositivo está repleto de funções de circuito sofisticadas (Figura 4).

Figura 4: O diagrama de blocos funcionais do conversor CC/CC FS1406-1800-AL mostrando a escala de sofisticação do circuito, incluindo o PWM interno, porta I²C, lógica de controle e MOSFETs de saída. (Fonte da imagem: TDK Corporation)

O FS1406-1800-AL tem uma saída nominal de 1,8 volts e uma capacidade de carga contínua de 6 A. Sua tensão de saída é programável via I²C de 0,6 a 2,5 volts. Requer uma tensão de entrada de 4,5 a 16 volts e tem uma faixa de temperatura de operação especificada de -40 °C a +125 °C.

O coração deste conversor CC/CC é o modulador PWM proprietário, projetado para dar uma resposta rápida e transitória. O modulador PWM opera em uma frequência de chaveamento proporcional à tensão de saída do conversor. Inclui compensação interna de estabilidade que se adapta a uma variedade de tipos de capacitores de saída sem a necessidade de redes de compensação externa, tornando-o "plug-and-play". A saída PWM do modulador aciona o circuito da porta para os dispositivos de potência MOSFET. O indutor do filtro de saída, como mencionado, está incluído no pacote, minimizando ainda mais os componentes externos.

Observe que o FS1406 inclui um regulador interno de baixa queda de tensão (LDO) que funciona a cerca de 5,2 volts para alimentar o circuito interno e os MOSFETs.

Além disso, os projetistas devem observar as características de proteção incorporadas que incluem proteção de partida suave, uma linha de status "Power Good", proteção contra sobretensão, partida pré-polarizada, desligamento térmico com auto-recuperação, e proteção contra sobrecorrente termicamente compensada com o modo hiccup. O modo hiccup desliga a fonte de alimentação por um período de tempo fixo se for detectado um evento de sobrecorrente e repete a sequência até que a falha seja removida.

A interface I²C é utilizada para definir a tensão de saída. Ela também permite o ajuste dos parâmetros de otimização do sistema, incluindo aqueles para as funções de partida e proteção.

Aplicação típica

A família FS1406 é integrada por completo e é ajustada de fábrica para sua tensão especificada de destino, eliminando a necessidade de um divisor de tensão de saída. O projeto exige a inclusão de uma capacitância mínima de saída para garantir uma regulagem da carga e uma ondulação de saída aceitável. Ele também requer um capacitor de entrada para lidar com sua necessidade de corrente de entrada. As inclusões mínimas necessárias de componentes de circuito são mostradas na Figura 5.

Figura 5: Em uma aplicação típica, a família de conversores μPOL CC/CC FS1406 precisa, no mínimo, apenas a inclusão dos capacitores de entrada e saída. (Fonte da imagem: TDK Corporation)

Os capacitores de entrada e saída devem ter uma baixa resistência equivalente em série. São recomendados capacitores de cerâmica multicamadas. A ficha técnica do FS1406 fornece orientação detalhada sobre o cálculo dos valores da capacitância de entrada e saída.

As placas de avaliação ajudam os projetistas a começar

A placa de avaliação para a versão de 1,8 volts do conversor μPOL é o EV1406-1800A que fornece um projeto para um conversor CC/CC com uma saída de 1,8 volts e uma fonte de entrada de 12 volts. Ela fornece de 0 a 6 A de corrente de saída e mede 63 x 84 x 1,5 mm (Figura 6).

Figura 6: A placa de avaliação EV1406-1800A mede 63 x 84 x 1,5 mm; o conversor μPOL CC/CC está destacado em amarelo, dando alguma perspectiva sobre seu tamanho diminuto. (Fonte da imagem: TDK Corporation)

O tamanho e a capacidade de fornecimento de energia do µPOL torna possível que vários desses dispositivos se encaixem facilmente em torno de um FPGA ou ASIC. A placa de avaliação, além de fornecer um exemplo de projeto, tem posições vagas de componentes de furos passantes para a experimentação do usuário com os valores de capacitância de entrada e saída. Ela também possui uma barra de pinos para selecionar a fonte de polarização interna FS1406-1800 ou uma fonte de tensão externa. Outra barra de pinos proporciona fácil acesso à interface I²C.

O dongle de programação I²C

Como auxílio ao projeto, a TDK oferece a placa de programação I²C TDK-MICRO-POL-DONGLE que é usada para variar a tensão de saída em passos de ±5 mV. Também permite a programação dos parâmetros de proteção do sistema. O dongle funciona com um pacote de software GUI fornecido gratuitamente pela TDK, tornando fácil o ajuste do conversor.

Conclusão

Para projetistas que necessitam de fornecimento de energia POL confiável e de alta integridade com mínimo impacto no espaço da placa, a linha TDK mPOL de 19 conversores CC/CC fornece uma solução adequada em uma ampla variedade de aplicações. A família dá suporte a quatorze níveis comuns de tensão de saída, sendo cada um deles ajustável em passos de ±5 mV usando uma porta I²C. A construção exclusiva e patenteada do µPOL com base no SESUB fornece alta densidade de potência com o mínimo de componentes para auxiliar.