Suministro eficiente de energía de alta integridad a las cargas críticas con un impacto mínimo en el espacio de la placa

Los servidores de big data, así como aplicaciones como el aprendizaje automático, la inteligencia artificial (IA), las células 5G, el IoT y la informática empresarial, suelen requerir potentes ASIC, FPGA, GPU y CPU que exigen altas corrientes a bajos voltajes, y una alta densidad de potencia en espacios compactos. Para garantizar la integridad de la energía del sistema, se están empleando sistemas de gestión de la energía distribuida que llevan las fuentes de alimentación DC/DC hasta el punto de carga (POL), es decir, los procesadores de alto rendimiento. Puede haber muchos de estos convertidores de potencia CC/CC en una sola placa, por lo que el problema al que se enfrentan los diseñadores es hacer que estos dispositivos sean lo más pequeños posible para ahorrar espacio en la placa. Al mismo tiempo, tienen que cumplir con los requisitos de rendimiento, latencia, térmica, eficiencia y fiabilidad, al tiempo que simplifican el proceso de diseño y mantienen los costes bajos.

La solución a esta matriz de problemas combina semiconductores de alto rendimiento y componentes pasivos que utilizan tecnologías de embalaje avanzadas para lograr mayores niveles de integración del sistema. Se ha demostrado que se consigue un tamaño más pequeño con un perfil más bajo en comparación con otras tecnologías disponibles en la actualidad, al tiempo que se mejora la gestión térmica. Al mismo tiempo, el enfoque integrado mantiene el control de los costes de diseño, incluida la gestión del inventario y el tiempo de desarrollo.

Este artículo analiza la necesidad de las redes de energía distribuida y el papel de los dispositivos de energía POL. A continuación, presenta una clase de convertidores POL DC/DC de TDK Corporation que utilizan técnicas de embalaje avanzadas para lograr las características de rendimiento requeridas. El artículo también analiza sus atributos más destacados y muestra cómo los diseñadores pueden utilizarlos para cumplir con éxito sus requisitos de suministro de energía POL.

Por qué las fuentes de alimentación del convertidor DC/DC POL

Los ordenadores, servidores y otros equipos digitales utilizan cada vez más FPGAs, ASICs y otros dispositivos IC avanzados que requieren múltiples tensiones de alimentación que no están disponibles en la fuente de alimentación del sistema. Además, requieren esas tensiones en la secuencia ordenada correcta con una latencia mínima. Las fuentes de alimentación del sistema suelen proporcionar una serie de tensiones fijas como 1, 3,3 y 5 voltios. Una FPGA típica requiere tensiones del orden de 1,2 a 2,5 voltios (Figura 1).

Figura 1: Una FPGA típica requiere múltiples tensiones dedicadas a funciones específicas dentro del procesador. El procesador mostrado utiliza ocho entradas de alimentación dedicadas que utilizan tres tensiones diferentes. (Fuente de la imagen: Art Pini)

Como mínimo, una FPGA requiere suministros separados para sus secciones de núcleo y de E/S. La FPGA del ejemplo funciona con el núcleo a 1,2 voltios y las funciones de E/S a 2,5 voltios. Además, necesita otros seis niveles de potencia para sus circuitos auxiliares. Es obvio que tener siete fuentes de alimentación situadas muy cerca de la FPGA supone una carga para el diseño de la placa de PC. También hay que tener en cuenta la cuestión de la disipación del calor, por lo que es necesario que las fuentes de energía sean pequeñas y eficientes.

La tecnología patentada consigue una integración de sistemas única

Para cumplir con el requisito de tamaño, TDK desarrolló un diseño propio para los convertidores POL DC/DC que renuncia a la disposición de componentes discretos lado a lado. En su lugar, utiliza la integración en 3D basada en su tecnología de sistema en paquete (SiP) Semiconductor Embedded in SUBstrate (SESUB). Los semiconductores de alto rendimiento que incorporan un controlador de modulación de anchura de pulso (PWM) y MOSFETs están incrustados dentro del sustrato de la placa de PC de 250 micrómetros (µm), formando un convertidor reductor (buck). El inductor de salida del circuito y los condensadores también están integrados en el diseño 3D creando un paquete ultracompacto y térmicamente mejorado (Figura 2).

Figura 2: La tecnología patentada SESUB integra un avanzado CI controlador de potencia y MOSFETs en un sustrato de 250 mm, junto con el inductor de salida del circuito y los condensadores para formar un módulo convertidor CC/CC altamente integrado. (Fuente de la imagen: TDK Corporation)

Una solución de energía POL única

TDK cuenta con SESUB como base de su línea μPOL (pronunciado "micro-POL") de módulos de alimentación DC/DC en miniatura. Designados como modelos FS140x-xxxx-xx, la familia de productos se presenta en 19 selecciones con niveles de tensión de salida 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 y 0,6 voltios. Soportan corrientes de carga continuas de 3 a 6 amperios (A) según el modelo y se presentan en un embalaje de 3,3 x 3,3 x 1,5 milímetros (mm) (Figura 3).

Figura 3: El convertidor DC/DC μPOL sólo mide 3,3 x 3,3 x 1,5 mm, pero puede manejar hasta 15 vatios. (Fuente de la imagen: TDK Corporation)

Gracias a su exclusivo diseño físico, esta familia de convertidores CC/CC puede ofrecer una densidad de potencia de hasta 1 vatio por mm³, permitiendo a este pequeño paquete manejar hasta 15 vatios.

Las tensiones nominales de salida se ajustan en fábrica con un margen de ±0,5%. Se incluye una interfaz I²C que permite el control local del convertidor. Las tensiones de salida pueden recortarse en pasos de ±5 milivoltios (mV) sobre la tensión nominal preestablecida.

Un vistazo al interior de un convertidor FS1406 μPOL

El diagrama de bloques funcional del convertidor CC/CC FS1406-1800-AL de 1.8 voltios muestra que, a pesar de su diminuto tamaño, el dispositivo está repleto de sofisticadas funciones de circuito (Figura 4).

Figura 4: Diagrama de bloques funcional del convertidor CC/CC FS1406-1800-AL que muestra la escala de sofisticación del circuito, incluyendo el PWM interno, el puerto I²C, la lógica de control y los MOSFET de salida. (Fuente de la imagen: TDK Corporation)

El FS1406-1800-AL tiene una salida nominal de 1.8 voltios y una capacidad de carga continua de 6 A. Su tensión de salida es programable por I²C de 0.6 a 2.5 voltios. Requiere una tensión de entrada de 4.5 a 16 voltios y tiene un rango de temperatura de funcionamiento especificado de -40 °C a +125 °C.

El corazón de este convertidor CC/CC es el modulador PWM patentado, diseñado para ofrecer una respuesta rápida y transitoria. El modulador PWM funciona a una frecuencia de conmutación proporcional a la tensión de salida del convertidor. Incluye una compensación de estabilidad interna que se adapta a una variedad de tipos de condensadores de salida sin necesidad de redes de compensación externas, por lo que es "plug-and-play". La salida PWM del modulador acciona el circuito de puerta de los dispositivos de potencia MOSFET. El inductor del filtro de salida, como se ha mencionado, está incluido dentro del paquete, minimizando aún más los componentes externos.

Tenga en cuenta que el FS1406 incluye un regulador de tensión interno de baja caída (LDO) que funciona a unos 5.2 voltios para alimentar los circuitos internos y los MOSFET.

Además, los diseñadores deben tener en cuenta las funciones de protección incorporadas, que incluyen protección de arranque suave, una línea de estado "Power Good", protección de sobretensión, arranque prebiado, apagado térmico con recuperación automática y protección de sobrecorriente compensada térmicamente con modo Hiccup (hipo). El modo Hiccup desconecta la fuente de alimentación durante un periodo de tiempo fijo si se detecta un evento de sobrecorriente y repite la secuencia hasta que se elimina el fallo.

La interfaz I²C se utiliza para ajustar la tensión de salida. También permite configurar los parámetros de optimización del sistema, incluidos los de las funciones de arranque y protección.

Aplicación típica

La familia FS1406 está totalmente integrada y se ajusta en fábrica a su tensión de destino especificada, eliminando la necesidad de un divisor de tensión de salida. El diseño requiere la adición de una capacitancia de salida mínima para garantizar una ondulación de salida y una regulación de carga aceptables. También requiere un condensador de entrada para poder manejar su requerimiento de corriente de entrada. Las adiciones mínimas de componentes del circuito necesarias se muestran en la figura 5.

Figura 5: En una aplicación típica, la familia de convertidores DC/DC FS1406 μPOL requiere, como mínimo, solo la adición de los capacitores de entrada y salida. (Fuente de la imagen: TDK Corporation)

Los capacitores de entrada y salida deben tener una baja resistencia equivalente en serie. Se recomiendan los capacitores cerámicos multicapa. La hoja de datos del FS1406 proporciona una guía detallada sobre el cálculo de los valores de la capacitancia de entrada y de salida.

Las tarjetas de evaluación ayudan a los diseñadores a empezar

La placa de evaluación para la versión de 1.8 voltios del convertidor μPOL es la EV1406-1800A, que proporciona un diseño para un convertidor CC/CC con una salida de 1.8 voltios y una fuente de entrada de 12 voltios. Suministra de 0 a 6 A de corriente de salida y mide 63 x 84 x 1.5 mm (Figura 6).

Figura 6: La placa de evaluación EV1406-1800A mide 63 x 84 x 1.5 mm; el convertidor CC/CC μPOL está resaltado en amarillo, lo que da una idea de su diminuto tamaño. (Fuente de la imagen: TDK Corporation)

El tamaño y la capacidad de suministro de energía del µPOL hacen posible que varios de estos dispositivos quepan fácilmente en una FPGA o ASIC. La placa de evaluación, además de proporcionar un ejemplo de diseño, tiene ubicaciones abiertas de componentes con orificios pasantes para que el usuario experimente con los valores de capacitancia de entrada y salida. También dispone de una cabecera para seleccionar la fuente de polarización interna del FS1406-1800 o una fuente de tensión externa. Otro cabezal permite acceder fácilmente a la interfaz I²C.

El dongle de programación I²C

Como ayuda al diseño, TDK ofrece la tarjeta de programación I²C TDK-MICRO-POL-DONGLE que se utiliza para variar la tensión de salida en pasos de ±5 mV. También permite programar los parámetros de protección del sistema. El dongle funciona con un paquete de software GUI gratuito suministrado por TDK, que facilita el ajuste del convertidor.

Conclusión:

Para los diseñadores que requieren una entrega de energía POL fiable y de alta integridad con un impacto mínimo en el espacio de la placa, la línea TDK mPOL de 19 convertidores CC/CC proporciona una solución adecuada en una amplia variedad de aplicaciones. La familia admite catorce niveles de tensión de salida comunes, siendo cada uno de ellos ajustable en pasos de ±5 mV mediante un puerto I²C. La construcción única y patentada de la µPOL, basada en SESUB, proporciona una alta densidad de potencia con mínimos componentes de soporte.