Вин Натан, Менеджер по продукции Aimtec и Сергей Дмитриев, Старший инженер по применению продукции Aimtec
Перевод Геннадий Горюнов
Современные архитектуры распределенного питания полупроводников (PoL Point of Load)
В этой статье кратко рассмотрено, как развивались архитектуры питания и что требуется для питания современных FPGA для оптимальной работы. В статье будут рассмотрены некоторые современные решения электропитания, которые доступны в настоящее время. А также преимущества и недостатки модульных и дискретных подходов построения системы питания.
Сложность систем питания с каждым годом увеличивается, это связано со стремлением компаний-производителей электроники предложить конкурентоспособный и привлекательный по цене продукт на все более переполненных рынках. Мало того, что в современном мире идет соревнование по предложению более конкурентоспособной цены продукта, существует тенденция к более эффективному энергопотреблению, которое позволяет получить более компактные конструкции, снизить эксплуатационные расходы, или просто удлинить срок использования батарей.
В результате, разработчики часто должны использовать архитектуры питания, которые позволяют получить больше энергии, чем предыдущие поколения, в меньшем пространстве и с более низкой стоимостью. Ситуация несколько усугубляется современными полупроводниковыми приборами, такими как ASICs, FPGA и DSPs, многие из которых имеют несколько шин питания с разными относительно низкими номинальными напряжениями, а также другими сложностями, такими как определенная последовательность включения шин питания при запуске.
На протяжении многих лет системы электропитания эволюционировали от одномодульных источников питания с несколькими выходами, которые имели единую точку отказа, к более сложным решениям, которые повышают эффективность, обеспечивая резервирование и увеличивая модульность.
В этой статье кратко рассмотрено, как развивались архитектуры питания и что требуется для питания современных FPGA для оптимальной работы. В статье будут рассмотрены некоторые современные решения электропитания, которые доступны в настоящее время. А также преимущества и недостатки модульных и дискретных подходов построения системы питания.

Современные архитектуры электропитания и переход на промежуточную шину
Ранние цифровые микросхемы были относительно простыми устройствами, для их работы требовалась только одна шина постоянного напряжения 5 В, и в то время большинство систем питания были основаны на одном центральном источнике питания (БП), который питал всю схему. В некоторых случаях блок питания имел дополнительные шины для обеспечения питания дополнительных аналоговых компонентов, таких как операционные усилители. Высоконадежные системы могли включать в себя два или более центральных блока питания в избыточной конфигурации, но общая архитектура оставалась относительно неизменной.
В последнее десятилетие двадцатого века все стало меняться в отношении требований к потребляемой мощности. 5 Вольт больше не было единственным напряжением питания, и начала расти популярность питания от 3,3 Вольт. С ростом популярности телекоммуникационных систем общим напряжением было 48 В, и часто сетевой блок питания был рассчитан именно на это напряжение, а локальное преобразование осуществлялось с помощью изолированных модульных преобразователей для получения напряжения, требуемого логическими устройствами.
Такая распределенная архитектуре питания (DPA) имела ряд преимуществ, прежде всего, с увеличением распределяемого напряжения с 5 В до 48 В, При этом распределяемый ток уменьшился почти в десять раз. Согласно закону Ома, потери в проводниках печатной платы пропорциональны квадрату тока, в результате потери значительно уменьшались. Это позволило уменьшить сечение проводников питания, соответственно уменьшая вес и цену, эффективность питания при этом существенно увеличилась.
По мере того, как мы вступали в новое тысячелетие, напряжение продолжало снижаться, и поскольку требования к питанию основных полупроводниковых компонентов, таких как ПЛИС, становились все более сложными, потребовалась дальнейшая эволюция архитектуры питания. Одним из главных недостатков распределенной системы питания (DPA) была изоляция, которая присутствовала в каждом модульном преобразователе напряжения. Это обычно означало использование трансформатора для обеспечения гальванической развязки, что увеличивало объем и стоимость силового решения, особенно если в системе использовалось множество таких модульных преобразователей
Рисунок 1: Архитектура с промежуточной шиной (IBA) имеет дополнительный уровень преобразования по сравнению с распределенной архитектурой питания (DPA)
Архитектура с промежуточной шиной (IBA) решила эту проблему, добавив дополнительный этап преобразования напряжения шины 48В до промежуточного уровня напряжения, обычно это 12 В, но также использовались и другие напряжения. Хотя этот подход применяется во многих областях, включая промышленные приложения, особенно популярным он стал в области передачи данных и серверных приложений.
Промежуточный преобразователь напряжения часто был только квазистабилизированным и, поскольку входное напряжение было довольно хорошо стабилизировано, это позволяло выходному напряжению изменяться в зависимости от входного напряжения. По этой причине эти преобразователи промежуточных шин часто назывались "преобразователями отношения", так преобразователь 4:1 имел выход 12 В, при номинальном входном напряжении 48 В.
Окончательное преобразование напряжения промежуточной шины в напряжение, необходимое для нагрузки, производилось с помощью преобразователя напряжения в точке нагрузки (point of load - PoL). По мере развития таких устройств, как ASICs, DSP и FPGA, напряжение их ядра снижалось, часто до уровня ниже 1,0 В, и, как следствие, значительно возрастали токи.

Требования и рекомендации по питанию современных ПЛИС
Общая тенденция развития ПЛИС заключается в том, что напряжения питания ядра уменьшаются, а токи увеличиваются. Это может вызвать проблемы для проектировщиков систем питания, но также это приводит к тому что идеальной архитектурой для их питания становятся PoL преобразователи.
ПЛИС, как правило, имеют довольно сложные требования к питанию, включая несколько линий питания (часто при разных напряжениях), жесткие допуски напряжения, последовательность включения питания и плавный запуск. Если эти требования не выполняются, то работа может быть ненадежной или, что еще хуже, ПЛИС может быть повреждена.
Как правило, современная ПЛИС имеет три подсистемы, на которые следует подвести питание – основное ядро, порты ввода/вывода и дополнительные вспомогательные функции, которые могут включать в себя бортовые часы, системы фазовые автоподстройки частоты (ФАПЧ) и другие устройства. Напряжение ядра питает внутренние логические блоки. Для современных ПЛИС это напряжение обычно находится в диапазоне от 0,9 В до 1,2 В с допуском 5%. Некоторые производители указывают допуски в милливольтах, хотя конечные значения обычно довольно похожи.
Рисунок 2: Питание, требуемое для современных FPGA устройств может иметь достаточно сложную структуру.
Ситуация с питанием портов ввода-вывода несколько сложнее. Уровни напряжения определяются внешними цифровыми схемами и, поскольку многие современные ПЛИС имеют несколько портов ввода-вывода, каждый из них может питаться от своего источника для обеспечения интерфейса с различными типами цифровой логики. В системах, где логические напряжения одинаковы, несколько портов ввода-вывода FPGA могут питаться от одного источника PoL.
Уровень напряжения промежуточного питания обычно имеет значение 2,5 В, но может достигать 3,3 В или 0,9 в, в зависимости от ПЛИС. Поскольку это напряжение часто используется для питания чувствительных внутренних схем, пульсации на этой шине должны быть сведены к минимуму, это обеспечивается использованием, при необходимости, дополнительной фильтрации.
Вообще говоря, нагрузки, связанные с ПЛИС, являются высокодинамичными и могут создавать переходные процессы во время работы. Многие производители ПЛИС требуют применения в схеме развязывающих конденсаторов в диапазоне от 1 мкФ до 10 мкФ, чтобы работать с большими скачками тока, которые часто требуются во время работы. Разработчики системы питания должны учитывать влияние, которое эта значительная емкость может оказать на источник питания, особенно на этапе запуска.
Формирование правильной последовательности включения питания имеет важное значение во время фазы запуска ядра большой интегральной схемы. Это напряжение как правило должно быть приложено и стабилизировано в первую очередь. Многие современные устройства питания имеют контакт разрешения включения питания, который может использоваться для управления выходом при помощи логического уровня. Параметры сигналов разрешения включения питания будут зависеть от конкретной ПЛИС, эти сигналы могут быть реализованы с помощью дискретной логики или готового секвенсора питания, такого как например LM3880 от National Semiconductor.

Обзор преобразователей PoL
Большинство преобразователей PoL, и особенно те, которые используются в приложениях с архитектурой промежуточной шины питания, используют топологию преобразования напряжения Buck, которая использует коммутационное устройство для преобразования одного напряжения (промежуточного напряжения шины) в более низкое (напряжение, требуемое нагрузкой). Такой преобразователь напряжения обычно называется "понижающим преобразователем".
рис.3
Бак-конвертеры относительно просты, по крайней мере в теории. Переключатель (MOSFET) подключает входное напряжение к нагрузке и, когда переключатель размыкает цепь, энергия, хранящаяся в индуктивности (L), используется для питания нагрузки. Отношение между входным напряжением (Vin) и напряжением на нагрузке определяется рабочим циклом сигнала, управляющего переключателем, который никогда не может быть больше единицы, поэтому напряжение на нагрузке всегда меньше Vin.
Во многих случаях преобразователи PoL доступны в виде законченных модулей, которые включают в себя ряд функций и защит, полезных для разработчиков. Эти устройства различаются по размеру в зависимости от номинальной мощности, но все конструкции имеют высокую степень интеграции и имеют относительно небольшой размер, позволяющий разместить их как можно ближе к нагрузке, которую они питают.
При выборе PoL-конвертера необходимо учитывать ряд факторов, обеспечивающих правильный выбор устройства для данного приложения. Очевидные параметры-это входное и выходное напряжение, которое должно соответствовать ТЗ. Во многих случаях входное напряжение будет иметь широкий допуск, что полезно, хотя и не всегда необходимо, особенно в приложениях с промежуточным питанием, где напряжение шины достаточно хорошо стабилизировано.
В зависимости от устройства выходное напряжение может быть фиксированным или регулируемым. Преобразователи с фиксированным выходным напряжением являются самыми простыми в использовании и часто доступны в семействах устройств с заданными выходными напряжениями, чтобы соответствовать напряжениям, обычно используемым полупроводниками. Регулируемые типы обычно требуют установки резистора между контактом подстройки напряжения и общим проводом, метод расчета значения резистора можно найти в даташите.
Выбор конвертера с регулируемым выходным напряжением имеет ряд преимуществ. Во-первых, выходное напряжение может быть изменено в любой момент в процессе разработки просто путем изменения значения резистора, без необходимости изменения компоновки печатной платы. Это может быть полезно в том случае, если ПЛИС, которая питается от источника питания, нуждается в замене или обновлении и требуется другое напряжение. Это также означает, что одно устройство может быть использовано для различных напряжений, которые требуются в схеме. Использование одного устройства упрощает заказ и управление запасами.
Если PoL должен использоваться в схеме с последовательным включением питания при запуске, либо использоваться для питания периферийной части схемы, которая может быть выключена, то наличие контакта разрешения включения питания имеет важное значение. Часто производители предлагают версии с положительным или отрицательным логическим управлением. Также на цифровых платах обычно имеется запасной инвертор, если управляющий сигнал требует инверсии.
При планировании питания ПЛИС с преобразователем PoL необходимо тщательно проработать требования к выходным параметрам преобразователя, особенно в отношении таких параметров, как точность выходного напряжения, стабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения, стабильность выходного напряжения приизменении нагрузки, уровень шумов на выходе преобразователя и переходные характеристики, чтобы гарантировать, что выходное напряжение будет соответствовать требуемым уровням при любых условиях нагрузки. Максимальная емкостная нагрузка также должна быть учтена, поскольку многие ПЛИС требуют добавления в схему значительной емкости. Все эти конденсаторы представляют собой короткое замыкание при включении питания и могут привести к неправильному запуску некоторых преобразователей PoL.
Еще одной областью, заслуживающей пристального внимания, являются тепловые характеристики. Общая энергоэффективность устройства будет определяться тем, сколько тепла генерируется схемой – это будет существенным соображением, особенно в плотных конструкциях. Устройства с более низким КПД будут генерировать больше тепла, и включение их в конструкцию может потребовать использования дополнительного теплоотовода, такого как радиаторы или вентиляторы, которые увеличивают объем системы и ее стоимость.
Ухудшение характеристик преобразователя с ростом температуры - дерейтинг также тесно связан с тепловыми характеристиками и также должен быть учтен. Хотя преобразователь PoL и заявлен как устройство с номинальным выходным током 10A (например), он может быть не в состоянии обеспечить полную мощность при более высоких температурах окружающей среды. Большинство производителей публикуют графики, показывающие ухудшение характеристик на более высоких температурах и соответствующую безопасную рабочую зону.
И еще один пункт на котором стоит остановить свое внимание - это шумовые характеристики. Как силовые переключающие устройства, преобразователи PoL будут генерировать электромагнитные шумы. Однако, поскольку производители преобразователей проводят соответствующие испытания своих продуктов, разработчику будет известен спектр шума, который излучает их преобразователь. Разработчик всегда находится в выигрышной позиции, если производитель преобразователя напряжения рекомендует схемы фильтрации, поскольку это позволит сэкономить значительное время и затраты при разработке оборудования соответствующего заданным критериям по электромагнитной совместимости.

Сделать или купить? – Является ли хорошей идеей создать свой PoL преобразователь с нуля?
Часто возникает соблазн отказаться от использования модульного решения и разработать собственное дискретное решение бак-конвертора. Причина этого может быть связана с ограничениями пространства в конкретном приложении или с убеждением, что такой подход даст более дешевое решение, или по какой-то другой причине.
Идея "изготовить" вместо "покупки готового" становится более привлекательной благодаря доступным чипсетам и руководствам по проектированию с готовыми принципиальными схемами, предлагающими очень простые решения. Однако не всегда это оказывается так просто, как кажется на первый взгляд. И хотя вполне возможно создать дизайн, который работает в лаборатории, потребуется время, чтобы довести разработку до такого уровня, чтобы она правильно работала при изготовлении изделия серийностью, измеряемой тысячами штук.
Многие силовые схемы требуют использования печатной платы с большой толщиной медной фольги. Если такой фольгированный материал использовать для всей печатной платы, то стоимость печатной платы значительно вырастет. Можно использовать дочернюю печатную плату для преобразователя, но это то же самое, что модульное решение, которого вы пытаетесь избежать. Без предоставления конкретного макета печатной платы для проверки трассировки проводников производителем чипсета, а также анализа перечная компонентов, мало надежды, что разработка будет соответствовать тем параметрам электромагнитной совместимости, на которую изначально рассчитывает разработчик. Разработка фильтров и других работ по интеграции дискретного решения может занять много времени и потребовать дополнительного специализированного испытательного оборудования.
В некоторых случаях можно использовать готовый дроссель, в других может потребоваться по крайней мере один заказной моточный элемент. Хотя импульсный трансформатор или индуктор может быть легко изготовлен в лаборатории с использованием стандартной проволоки, но современные индуктивные элементы для силовых энергетических применений используют передовые методы, такие как плоская медь с большой площадью поперечного сечения, чтобы минимизировать потери. Разработка магнетиков такого типа с нуля (при необходимости) может быть трудоемкой и дорогостоящей задачей.
Очень часто решение о принятии дискретного решения или покупки основывается исключительно на стоимости спецификации дискретного решения по сравнению с ценой покупки модульного решения. Однако это никогда не является точной картиной, поскольку необходимо учитывать стоимость проектирования, а также затраты на сертификацию. Оба этих фактора, вероятно, задержат выход на рынок конечного продукта, что может означать потерю способности захватить рыночную долю на стадии формирования рынка.
Кроме затрат на разработку, следует учесть, что совокупная стоимость покупки дискретных компонентов скорее всего обойдется дороже, чем стоимость модуля, так как производители модулей покупают комплектующие в больших количествах. Даже если стоимость комплектующих дискретного решения окажется меньше, следует учесть скрытые затраты на поддержание нескольких компонентов поставляемых несколькими поставщиками по сравнению с более низкими затратами на покупку одного модуля PoL у одного поставщика.

Современные преобразователи PoL
Одним из самых последних разработок преобразователей PoL вышедшим на рынок является семейство преобразователей AMSRLx-NZ от ведущего поставщика преобразователей напряжения Aimtec. Серия доступная в версиях 6, 10 и 16 A предлагает высокоэффективное и компактное решение PoL для широкого спектра приложений, включая телекоммуникационное оборудование, сетевое оборудование, оборудование 5G, рабочие станции, серверы и LANs/WANs.
Преобразователи имеют входной диапазон от 8,3 до 14,0 В (номинально 12 В) и подходят для использования в информационном и телекоммуникационном оборудовании. Выходное напряжение задается с помощью одного внешнего резистора и может принимать значения в диапазоне от 0,75 до 5,0 В, что покрывает все потребности по питанию современных ПЛИС и других полупроводниковых приборов. Версии 10 и 16 А имеют функцию подстройки напряжения на нагрузке, чтобы гарантировать, заданное напряжение на нагрузке, независимо от возможных падений напряжения на участке проводника между преобразователем и нагрузкой.
Точность установки выходного напряжения составляет менее ±2% (типовое значение ±1%), в соответствии с требованиями современных ПЛИС. Стабильность напряжения на выходе при изменении тока потребления нагрузки составляет ±0,4%. Емкостная нагрузка на выходе может составлять до 6000 мкФ, что позволяет обеспечивать питания FPGA, которые требуют подключение конденсаторов развязки с большими емкостями.
Приложения на основе ПЛИС часто характеризуются резкими значительными скачками потребления, которые могут быть проблемой для системы питания. Рассматриваемые PoL преобразователи напряжения от Aimtec могут отрабатывать скачки энергопотребления в 50% за время около 20 мкс при работе совместно с конденсатором емкостью 470 мкФ. Изменение напряжение на нагрузкие при этом обычно составляет ±100 мВ.
Преобразователи имеют высокий КПД до 96%, вследствие чего имеют очень низкое тепловыделение и могут использоваться без применения радиатора или мер по отводу тепла. Малый ток покоя (всего 1 мА) означает, что при работе устройств в режиме ожидания расход электроэнергии незначителен.
Наряду с функцией дистанционного управления посредством логического уровня (доступен в двух полярностях) преобразователи PoL имеют ряд защитных механизмов. Есть защита от короткого замыкания на выходе, защита от снижения входного напряжения (UVLO), защита от перегрузки по выходному току.
Рисунок 4: Пример высокой эффективности стабилизаторов PoL от Aimtec на кривой дерейтинга.
Преобразователи могут выдавать полную мощность при температуре до 60 ºC и конвективном охлаждении. При принудительном воздушном охлаждении в 300 LFM (пер. LFM – линейные футы в минуту) преобразователи могут выдавать полную мощность уже при температуре окружающей среды до 85 ºC.

Рисунок 5: Всего несколько внешних пассивных компонентов для регулятора PoL от Aimtec необходимы для обеспечения требованиям CISPR32/EN55032 Class B.
С точки зрения шумовых характеристик, пульсации и шумы составляют около 65 мВ от пика до пика, и устройства обеспечивают требования по шумам Cispr32/EN55032 класса B при использовании простой фильтрующей схемы, которую Aimtec предоставляет в своих даташитах.
Рисунок 6: Преобразователи PoL от Aimtec предлагаются в SMD исполнении и имеют малые габариты, что делает их идеальными для применений с высокой плотностью монтажа.
Обладая уникальными характеристиками PoL преобразователи от Aimtec имеют достаточно малые габаритные размеры и исполнение для поверхностного монтажа. Устройства на 10 и 16 A имеют габариты 13,5 x 33,3 x 8,3 мм, а устройство на 6 A имеет размер всего 11,4 x 20,3 x 6,6 мм.

Выводы
Современные решения систем электропитания эволюционировали в соответствии с требованиями систем, для питания которых они используются. Архитектура с промежуточной шиной питания (IBA) дает ряд преимуществ, включая устранение одной точки отказа и повышение коэффициента полезного действия. Поскольку архитектура с промежуточной шины включает в себя PoL стабилизаторы, то их параметры адаптируются к требованиям FPGA
устройств, для которых характерно наличие нескольких различных шин питания и резкое изменение энергопотребления.
Хотя может показаться привлекательным разработать самостоятельно эти, казалось бы, простые PoL преобразователи в виде дискретного решения, это очень редко является лучшим вариантом с точки зрения времени, стоимости или характеристик. Благодаря широкому разнообразию и малым габаритным размерам высокопроизводительных PoL стабилизаторов, таких как серия 6-16A AMSRLx-NZ от Aimtec, применение готового конструктивно законченного модуля почти всегда снижает стоимость проектирования, снижает риски проектирования и позволяет быстро выпустить конечный продукт на рынок.
Подробнее ознакомиться с полным перечнем импульсных регуляторов Aimtec и их характеристиками можно здесь
E-mail
Фамилия-Имя-Отчество
Номер телефона
Вопросы и комментарии