Kicsi, okos, erőmű: MPS MPM54304

Mindig ugyanaz a történet. Újra zsúfolttá vált, nincs több hely a NyÁK-on, és a mechanikai tervezők egyszerűen nem hajlandók a doboz méretét megnövelni. A Monolithic Power Systems komplett megoldást javasol, minimális helyigénnyel a processzor, vagy az FPGA tápellátására.

Sokszor négy kapcsolóüzemű szabályozót kell elhelyezni egy áramköri kártyára, az FPGA több feszültségszinten igényel táplálást. Hihetetlenül gyors, de áraméhsége hatalmas. Mindenek felett ellenőrizni kell, hogy a bekapcsolási sorrend megfelelő-e. Gyakran szívesen elfelejtik – de szinte mindig figyelni kell a kikapcsolási sorrendre is. Itt válik bonyolulttá a diszkrét megoldás.

Szerencsére a Monolitic Power Systems cég MPM54304 típusú integrált áramköre nagymértékben megkönnyíti az életet.
Ez már nem csak egy jól ismert energiamenedzsment, integrált áramkör (PMIC) négy integrált „buck” konverterrel. Az MPM54304 egy energiamenedzsment-modul, amely négy nagyon hatékony szinkron DC-DC szabályozót tartalmaz egy PMIC-ben, továbbá négy teljesítményinduktivitást egy rugalmas logikai interfésszel együtt, amely I²C buszon keresztül programozható, ezáltal a kimeneti feszültségek, a bekapcsolási sorrend, a jelváltozás meredeksége és még sok más konfigurálható szoftver segítségével. A négy integrált induktivitással rendelkező modul eddig egyedülálló a piacon, és verhetetlen kompakt megoldást tesz lehetővé.

Hatásfok a terhelőáram függvényében

Bemeneti és kimeneti feszültség, teljesítmény

A 4 és 16 V közötti bemeneti feszültségtartomány (legfeljebb 18 V) tökéletesen megfelel a szokásos 5 V, 9 V, vagy 12 V bemeneti feszültségű tápellátásnak. A négy step-down konverter szabályozza a kimeneti feszültséget 0,55 V és 7 V között, az 1-es és 2-es kimenetek terhelését táplálja legfeljebb 3 A-ig, a 3-as és 4-es kimeneteket pedig maximum 2 A-ig. Lehetőség van a kimenetek párhuzamos működtetésére, ennek köszönhetően 6 A, illetve 4 A a maximális kimeneti áram. Ez elegendő energia a meglehetősen nagy teljesítményű processzorok, vagy FPGA-k tápellátásához.
Természetesen magától értetődik, hogy a széleskörűen elterjedt védőáramkörök integrálva vannak – az alacsony feszültség, a túláram és a termikus túlterhelés elleni védelem az eszköz alapvető jellemzői között találhatók.

Tranziens válaszok

COT topológia

A modern, állandó időre bekapcsolt (COT – Constant On Time) vezérlőtopológia garantálja a gyors átmeneti választ. A hagyományos áramüzemmódú szabályozókhoz képest a vezérlés felépítése viszonylag egyszerű. A kimeneti feszültséget visszaolvassák, és egy osztón keresztül a komparátor invertáló bemenetére táplálják.
A nem invertáló bemenet tartalmazza a referenciafeszültséget.
Ha a leosztott kimeneti feszültség a referenciafeszültség alá esik, akkor egy rögzített szélességű impulzus keletkezik, amely bekapcsolja a magasoldali MOSFET-et. Amikor a kimeneti ripple-feszültség eléri az alsó határértéket, váltás történik. Az impulzus lefutó élével a magasoldali MOSFET ismét kikapcsol (és a megfelelő holtidő után az alacsonyoldali MOSFET bekapcsol).
Az MPM54304 nem igényel külső kompenzációs hálózatot – az emelkedő jel generálása belsőleg történik, helyet megtakarítva és mindenekelőtt a tervezési időt.

Tipikus alkalmazás

Apró

Az MPS optimalizált induktivitásokat integrált a modulba, amelyek kedvezőek a kis méret tekintetében. Az eredmény egy olyan modul lett, amelyre érdemes figyelmet fordítani. Az MPM54304 rendkívül vékony, csak 7 × 7 × 2 mm méretű LGA tokozású, ezért szinte „nehézséget okoz” a megkülönböztetése a NyÁK szokásos, többi integrált áramköreitől.
Az 1,5 MHz-es kapcsolási frekvencia miatt kis méretű kerámia MLCC-k elegendők bemeneti és kimeneti kondenzátorokként, ami tovább csökkenti a megoldás helyigényét. A lábkiosztás gondosan megválasztott, ebből következően a néhány fennmaradó szükséges alkatrész (gyakran csak a bemeneti és kimeneti kondenzátorok) optimális elhelyezése egyszerű feladat, és a jelkivezetés nem okoz fejfájást még akkor sem, ha széles vezetősávokon történik. Az IC lábaktól széles vonalakkal való elvezetés egyébként jó ötlet. Mint általában, az MPS ezt a modult is flip-chip technológiával gyártja. A chipet „fejjel lefelé” helyezik a szerelőszalagra, és rézérintkezőkön keresztül galvanikus eljárásban létrehozzák a megfelelő kontaktust. A nagy parazita-induktivitású és rossz hővezető képességű huzalok tehát megszűnnek. A kivezetéseken keresztül lehetővé válik a hő közvetlen elvezetése, és a rézkontaktusok hatására tovább csökken a hőellenállás. Elsősorban ez teszi lehetővé ilyen nagy teljesítmény elérését ennyire kis méretű tokban. Természetesen mindezen lehetőségek és a kiváló elérhető hatékonyság mellett – néha jóval 90% felett – a gondos hőtervezést még mindig figyelembe kell venni. A fizika továbbra is érvényes, és még a kis veszteségek mellett is figyelembe kell venni a nagy teljesítményt, amit el kell disszipálni. Az elmúlt időszakban erre a célra nagy méretű és drága hűtőbordákra volt szükség. Szerencsére ez az idő már a múlté, az MPM54304 hőelvezetése a NyÁK rézfelületének segítségével megoldható. A NyÁK kialakítása határozza meg az eszköz maximálisan elérhető teljesítményét, és az adatlapon elrendezési javaslatok találhatók. Ha az integrált áramköri kivezetések vonalvastagsága megfelelő, és egy termikusan jól csatlakozó, folyamatosan vezetőképes földfelület van a NyÁK valamelyik belső vagy az alsó rétegén, akkor minden rendben van. Azonban az eszköz specifikáció határain belül tartásához a gondos hőtervezés elengedhetetlen.
Ez a kis integrált áramkör tehát valódi öröm, amikor az alkatrészek zsúfolódnak a NYÁK-on. Egy tipikus megoldás, ami négy teljes kapcsolóüzemű szabályozót tartalmaz a szükséges be- és kimeneti kapacitásokkal – körülbelül 120 mm²-es területen, 2 mm magassággal – egyáltalán nem rossz eredmény!

Kis hurkok – kis emisszió

A kompakt kialakítás természetesen előny az EMI optimalizálására. A kapcsolóüzemű szabályozó továbbra is az egyik legjelentősebb tényező a NyÁK-on, amikor az EMI-problémák okát kell megtalálni. Az áramok egyre nagyobbá válnak, a szükséges kis méretek csak magasabb frekvenciák kapcsolásával érhetők el (ennek megfelelően meredek élekkel). Ha az alkatrész kiválasztása, elhelyezése vagy elrendezése nem optimális, akkor a normák által megszabott értékeket gyorsan túllépik! Megkezdődik a hibaelhárítás, és különösen bosszantó, ha egy előrehaladott állapotban lévő tervezés újabb tervezési ciklust igényel. Különösen mivel gyakran az elrendezés a dolog lényege. A kapcsolóüzemű szabályozómodulnak itt határozott előnye van. Az induktivitásnak tokba történő integrálásával az áramhurok területe verhetetlenül kicsivé válik, és ennek megfelelően pozitív hatása van a sugárzásra. Természetesen továbbra is szükségesek a bemeneti és a kimeneti kondenzátorok (általában elegendőek az MLCC-k és ez egyben a legjobb választás) vagy a visszacsatolási út bármely elemének helyes méretezése és elhelyezése, amennyiben külső visszacsatolást használnak. Azon túl, hogy ez egyértelműen megkönnyíti a tervező életét, a lábkiosztás jól átgondolt elhelyezése további segítséget ad. Az integrált szabályozó egy másik előnye, hogy a négy „buck regulátor” mindegyike fázisban 90 fokkal eltolódik, ezáltal a kapcsolóélek nem adódnak össze, nem keletkeznek nagy tüskék. Diszkrét kialakítás esetén ezt nem könnyű elérni. Az MPM54304 áramkörnél – ahogy minden más – a fázisszögek is programozhatók.

Ajánlott elrendezés

Teljesmértékben programozható

Az MPM54304 az integrált I²C interfészen keresztül teljesmértékben programozható. Az MPM54304 az alapértelmezett beállításokkal indul, de a Monolithic Power Systems a felhasználó által definiált regiszterkészlettel előre programozott állapotban képes szállítani. Az MPS fejlesztőeszközét használva, a mellékelt USB I²C programozóval és az MPS GUI segítségével a fejlesztő könnyen konfigurálhatja az eszközt az igényei szerint, és széles körben tesztelheti. Ezt a programozási fájlt a CODICO-n keresztül lehet az MPS céghez eljuttatni. A rendeléshez egy speciális cikkszámot kap, és az IC-t a gyártásban az MPS programozza és teszteli. Az áramkörhöz ezáltal tökéletesen illeszkedő vezérlő felhasználásra készen vásárolható meg, és a gyártás során nincs szükség további programozásra és tesztelésre. Természetesen az eszköz működés közben is újraprogramozható, pl. ha a feszültséget kompenzálni kell, ha az energiatakarékosság érdekében egy bizonyos üzemi állapotban be kell kapcsolni az alacsony terhelési módot, vagy fordítva, hogy átkapcsoljon kényszerített PWM üzemmódra a kimeneti hullámzás csökkentése és a frekvenciaingadozások megelőzése érdekében.
A megváltozott konfigurációt legfeljebb háromszor lehet elmenteni egy OTP memóriába, ezzel felülírva az alapkonfigurációt.

MPM54304 Fejlesztőkártya

A kimeneti feszültség a referenciafeszültség beállításával és / vagy egy belső 1/3-os feszültségosztó csatlakoztatásával állítható be 0,55 V és 5,4 V között. Gyakran nincs szükség egy külső visszacsatoló feszültségosztóra, amely ismét alkatrész-megtakarítást jelent, és megakadályozza a helytelenül beállított kimeneti feszültségeket az esetleges szerelési hibák miatt.
Számos processzor és FPGA több feszültségszint által táplált be- és kikapcsolási szekvenciát igényel. A bekapcsolási szekvencia több kapcsolóüzemű szabályozó csatlakoztatásával érhető el (a „power-good” kimeneti jel engedélyezi a következő feszültségszint szabályozó bemenetét). A kikapcsolási szekvencia bonyolultabb és gyakran feledésbe merül, bár ezt sok esetben az eszköz specifikációi megkövetelik. Szerencsére az MPM54304 IC-vel ez jóval egyszerűbb. A be- és kikapcsolási sorrend időintervallumai az I²C-n keresztül programozhatók.
A kapcsolási frekvencia négy lépésben állítható be az 533 kHz és 1,6 MHz közötti tartományban, az áramkör igényeitől függően, ugyanúgy, mint a túláram és a túlfeszültségvédelem küszöbértékei.
A lágy indítás (soft-start), azaz a referenciafeszültség ellenőrzött felfutása – a bekapcsolás során a feszültségszintek túllövésének elkerülése érdekében – szintén állítható, és hozzáigazítható a megfelelő bemeneti és kimeneti kapacitáshoz.

Tegyen egy próbát

Ha van egy projektje, és ki szeretné próbálni az MPM54304-et, vegye fel velünk a kapcsolatot, és a CODICO örömmel nyújt Önnek egy fejlesztőkártyát!

Szerző: Andreas Dirschl – Alkalmazástechnikai mérnök, CODICO GmbH

CODICO GmbH
Balogh Gergely – Field Sales Engineer, Active Components
Tel.: +36 30 867 0687
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.codico.com