Способы увеличения плотности мощности в DC-DC-преобразователях

Современное серверное и телекоммуникационное оборудование требует более мощных и малогабаритных POL-преобразователей, создание которых возможно за счет использования новых топологий преобразователей, современных МОП-транзисторов и более совершенных корпусных исполнений
1540
В избранное

Разработчики силовой электроники постоянно работают над увеличением мощности и эффективности, а также уменьшением габаритов всех звеньев системы передачи и порообразования энергии, начиная от распределительных энергосетей и заканчивая DC/DC-преобразователями. Говоря о DC/DC-преобразователях, можно отметить несколько основных драйверов, способствующих увеличению плотности мощности.

Одним из таких драйверов становятся портативные и носимые электронные устройства. Медицинское оборудование, которое совсем недавно занимало целую комнату, теперь умещается на тележке у кровати пациента. Современные планшеты обладают возможностями, сравнимыми с возможностями настольных компьютеров. И, конечно, каждое новое поколение носимых фитнес-устройств, умещает все больше и больше функций во все более компактном корпусе.

Большие объемы обрабатываемых данных, а также рост популярности облачных хранилищ и облачных вычислений привели к значительному увеличению емкости серверов. По оценкам специалистов, только у Amazon более 1,4 миллиона серверов, а сервера Google потребляют более 260 МВт электроэнергии в год. Повышение эффективности DC/DC-преобразователей является ключевым фактором для снижения потребления серверов. В данном случае не стоит забывать и об уменьшении тепловыделения, так как системы охлаждения вносит существенный вклад в общее энергопотребление серверного оборудования.

Говоря об отдельных устройствах, можно отметить тенденцию по уменьшению габаритов и увеличению быстродействия. Причем эти тенденции характеризуются кривой, предсказанной законом Мура, которому уже более 50 лет. В 1971 году первый коммерческий микропроцессор Intel 4004 имел плотность интеграции на уровне 192 транзисторов/ мм2, в современном процессоре Xeon Haswell-EP плотность интеграции значительно выше – около 8,4 миллиона транзисторов/ мм2.

Закон Мура и преобразование мощности

Современные устройства работают при пониженных напряжениях и на более высоких частотах. Несмотря на то, что потребление транзисторов уменьшается, общее потребление возрастает, поскольку в каждом устройстве становится все больше и больше транзисторов. Следуя за современными тенденциями, развитие преобразователей напряжения движется в сторону уменьшения рабочих напряжений, увеличения тока и улучшения динамических характеристик. Для сокращения потерь мощности в крупных серверных и телекоммуникационных приложениях применяется двухступенчатая система питания, в которой сначала переменное напряжение преобразуется в напряжение системной шины (обычно 12 или 24 В), а потом напряжение шины понижается с помощью POL-регуляторов непосредственно на конечных устройствах.

Многие приложения требуют нескольких уровней напряжения питания. Например, референсная плата PMP11399 представляет собой законченную комплексную систему питания для трех ядер ASIC/ FPGA, памяти DDR3, нагрузки VTT, а также формирует вспомогательное напряжение (AUX), которое обычно используется в высокопроизводительных коммутаторах Ethernet. PMP11399 имеет входное напряжение 12 В и общую выходную мощность 300 Вт. Плата объединяет девять понижающих преобразователей с шестью уровнями выходных напряжений: 5, 3,3, 1,5, 1,2, 1 и 0,85 В. Выходная мощность каналов варьируется от 260 мВт до 60 Вт.

У разработчиков есть три пути увеличения эффективности DC/DC-преобразователей с одновременным повышением плотности мощности: использование новых методов управления и топологий преобразователей, применение более эффективных силовых транзисторов, использование улучшенных корпусных исполнений.

Новые топологии DC/DC-преобразователей

Существует два способа обеспечения повышенной мощности при уменьшении габаритных размеров. Один из них заключается в уменьшении числа ступеней преобразования. Однако для этого требуется, чтобы понижающий регулятор напряжения обладал увеличенным коэффициентом преобразования (отношением входного напряжения к выходному VIN/ VOUT). Например, отношение 10 к 1 позволяет понижать входное напряжение 12 В до уровня 1,2 В, в то время как при отношении 5 к 1 это же напряжение можно понизить только до 2,4 В. Таким образом, если устройству требуется напряжение питания 1,2 В, то потребуется DC/DC-регулятор с коэффициентом преобразования не менее, чем 10 к 1.

Другим способом уменьшения габаритов является увеличение частоты коммутации преобразователя. Это позволит применять более компактные индуктивности и выходные конденсаторы. Однако необходимо понимать, что повышение частоты переключений может привести не только к уменьшению размеров устройства, но и вызывать дополнительные потери при переключениях, которые снижают эффективность и ухудшают тепловые характеристики.

Топология понижающего преобразователя с последовательным конденсатором позволяет устранить эти противоречия. Она сочетает в себе высокую частоту коммутаций, большой коэффициент преобразования (VIN/ VOUT) и значительный выходной ток (рис. 1). Такая топология обеспечивает существенное уменьшение габаритных размеров без ущерба для эффективности. Новая топология также сокращает перечень используемых компонентов, дополнительно снижая стоимость конечного изделия.

Стандартная топология синхронного понижающего DC/DC-преобразователя использует два полевых транзистора Q1 и Q2 и один дроссель L. b) Топология понижающего преобразователя с последовательным конденсатором представляет собой двухфазную схему с четырьмя мощными полевыми транзисторами, двумя дросселями (La и Lb) и последовательным конденсатором Ct. В этой схеме ток через дроссели протекает попеременно.

 Стандартная топология синхронного понижающего DC/DC-преобразователя. b) Топология понижающего преобразователя с последовательным конденсатором

Рис. 1. а) Стандартная топология синхронного понижающего DC/DC-преобразователя. b) Топология понижающего преобразователя с последовательным конденсатором

Топология понижающего преобразователя с последовательным конденсатором объединяет схему SEPIC-преобразователя и схему двухфазного синхронного понижающего преобразователя. В отличие от обычной топологии двухфазного понижающего преобразователя, в данной схеме требуется только один дополнительный конденсатор (последовательный конденсатор Ct), при этом у нее есть несколько преимуществ, таких, например, как автоматическое выравнивание токов через дроссели и более низкие потери при переключениях.

Последовательный конденсатор Ct выполняет ту же функцию, что и в SEPIC-преобразователе. Работа схемы подразумевает разделение рабочего периода на четыре временных интервала, которые отличаются состоянием силовых ключей, зарядом или разрядом Ct. В результате коммутаций ток протекает попеременно через дроссели La и Lb, а на выходе формируется постоянное пониженное выходное напряжение.

Напряжение на конденсаторе Ct составляет 50% от VIN, что приводит к уменьшению потерь на переключения, поскольку коммутация силовых ключей происходит при пониженном напряжении. Это позволяет осуществлять высокочастотную коммутацию, используя меньшие номиналы индуктивностей и конденсаторов, и, тем самым, экономить пространство и снижать вес преобразователя.

Двухфазная топология имеет еще одну особенность: верхние транзисторы остаются во включенном состоянии вдвое дольше, чем в обычном понижающем преобразователе. Это особенно полезно для высокочастотных приложений с высоким коэффициентом преобразования, поскольку обеспечивает более точное управление и сводит к минимуму влияние задержек из-за других элементов схемы.

В качестве примера реализации рассмотренной топологии можно привести схему на базе TPS54A20 от TI (рис. 2). TPS54A20 – двухфазный синхронный преобразователь с последовательным конденсатором, оптимизированный для низковольтных приложений с питанием 12 В. Компактные низкопрофильные дроссели значительно уменьшают площадь и высоту печатной платы. Система адаптивного управления поддерживает частоту коммутаций до 10 МГц (5 МГц для каждой фазу), быстрый отклик и точное регулирование напряжения. Схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) гарантирует стабильную частоту коммутаций в устоявшемся режиме работы.

 Двухфазный преобразователь TPS54A20

Рис. 2. Двухфазный преобразователь TPS54A20 обеспечивает рабочую частоту до 10 МГц (5 МГц для каждой фазы) и эффективность более 90%.

Номинал Ct выбирается исходя из желаемого уровня пульсаций напряжения и частоты переключений. В качестве Ct рекомендуется использовать многослойные керамические конденсаторы, так как они имеют низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), низкую эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) и расширенный температурный диапазон.

Новые силовые полевые транзисторы позволяют работать на повышенных частотах

С появлением каждого нового поколения силовых МОП-транзисторов их эффективность постоянно возрастает, благодаря уменьшению потерь мощности – динамических потерь при переключениях, статических потерь проводимости, потерь связанных с восстановлением встроенного диода и потерь управления, связанных с управлением затвором. По сравнению с планарными DMOS-ключами, современные транзисторы TrencFET обеспечивают пониженное сопротивление открытого канала RDS(ON). Низкое сопротивление RDS(ON) уменьшает потери проводимости, однако расплатой за это становится увеличение динамических потерь при переключениях, обусловленных внутренними паразитными емкостями транзистора. Следовательно, разработчикам приходится выбирать между высокой эффективностью (низкая рабочая частота) и повышенной плотностью мощности (высокая рабочая частота).

Технология МОП-транзисторов третьего поколения NexFET, разработанная Texas Instruments, предлагает значения RDS(ON), сравнимые с показателями TrenchFET, и одновременное снижение паразитных емкостей примерно на 50% (рис. 3). Уменьшение емкости обеспечивает низкий заряд затвора и быстрые переключения, что позволяет увеличить рабочую частоту.

Технология NexFET позволяет значительно повысить эффективность по сравнению с TrenchFET

Рис. 3. Технология NexFET позволяет значительно повысить эффективность по сравнению с TrenchFET

На рисунке представлено сравнение КПД преобразователей 12 В → 1,2 В с частотой коммутаций 635 кГц.

Преимущества NexFET наиболее четко выражены при работе со входными напряжениями до 30 В, что хорошо подходит для POL-систем распределенного питания, используемых в серверных и телекоммуникационных приложениях.

Технологии 3D-корпусирования повышает плотность мощности

Увеличение плотности мощности преобразователей требует улучшения характеристик корпусных исполнений. Например, снижение паразитной емкости и индуктивности является важнейшим условием увеличения частоты переключений. Кроме того, производители всегда прикладывают максимум усилий для улучшения тепловых характеристик.

Для достижения высокой плотности мощности необходимо оптимизировать каждый элемент схемы. Многокристальные микросхемы объединяют в одном корпусе контроллер и силовые МОП-транзисторы, что обеспечивает максимальную эффективность. Ранее при компоновке таких микросхем разработчики были ограничены двумя измерениями, но новые корпусные технологии позволяют размещать компоненты друг над другом (рис. 4).

Объединение контроллера и силовых МОП-транзисторов в одном корпусе с трехмерным размещением компонентов позволяет существенно уменьшить площадь, занимаемую на плате – в данном примере на 60%.

Объединение контроллера и силовых МОП-транзисторов в одном корпусе

Рис. 4. Контроллер и силовые МОП-транзисторы в одном корпусе

Трехмерная компоновка элементов в корпусе микросхемы обеспечивает ряд преимуществ как в отношении электрических, так и в отношении тепловых характеристик, при условии, что такое размещение компонентов имеет смысл. Например, в синхронном понижающем преобразователе вертикальное направление протекания тока через транзистор NexFET делает его идеальным для создания стека. В этом случае исток верхнего транзистора располагается непосредственно над стоком нижнего транзистора, что практически исключает переходное сопротивление и паразитную индуктивность между транзисторами и обеспечивает увеличение скорости коммутации. Кроме того, исток нижнего транзистора в схеме подключен к земле, а значит, может быть распаян непосредственно на теплоотводящей пластине корпуса для улучшения качества теплоотвода.

Для сильноточных цепей VIN (сток верхнего транзистора) и VSW применяется специальная клеммная технология, которая вместо традиционных проволочных проводников использует мощные медные шины. Такое решение существенно снижает RDS(ON), уменьшает потери проводимости и улучшает тепловые характеристики по сравнению с традиционной технологией разварки кристаллов с помощью проволок.

На рис. 5 показана трехмерная конструкция корпуса PowerStack от TI, который объединяет интегральный контроллер и транзистор NexFET. Подобная технология может использоваться для создания как транзисторных сборок, например, полумостов, так и законченных интегральных преобразователей. Рассмотрим несколько примеров.

3D-корпус PowerStack 3D объединяет МОП-транзисторы и модуль управления

Рис. 5. 3D-корпус PowerStack 3D объединяет МОП-транзисторы и модуль управления

В отличие от двухмерных многокристальных микросхем, такая конструкция отличается компактностью, минимальными паразитными составляющими и превосходными тепловыми характеристиками.

CSD87381P – силовая транзисторная полумостовая сборка NexFET с управляющим напряжением 5 В для синхронных понижающих преобразователей. При достаточном обдуве и эффективном теплоотводе данная транзисторная сборка может обеспечивать нагрузочный ток до 25 А с. Корпус CSD87381P имеет размер 3 × 2,5 мм и отличается превосходными тепловыми характеристиками, в частности тепловое сопротивление кристалл-корпус (θJC) составляет всего 1,65 °C/ Вт, а тепловое сопротивление переход-воздух (θJA) 84 °C/ Вт.

TPS548D22 – синхронный понижающий преобразователь с корпусом PowerStack и с нагрузочным током до 40 А. Данный преобразователь предназначен для систем хранения данных, телекоммуникационного оборудования или аналогичных цифровых POL-систем с распределенным питанием. Диапазон входных напряжений TPS548D22 составляет от 1,5 до 16 В, диапазон напряжений питания VDD от 4,5 до 22 В, диапазон выходных напряжений от 0,6 до 5,5 В.

На рисунке 6 показана упрощенная схема включения TPS548D22. Рабочая частота схемы может задаваться в диапазоне от 424 кГц до 1,05 МГц. В типовых приложений для достижения хорошего баланса между габаритами и высокой эффективностью рекомендуется использовать частоту переключений 650 кГц.

TPS548D22 – синхронный понижающий преобразователь

Рис. 6. TPS548D22 – синхронный понижающий преобразователь с нагрузочным током до 40 А включает в себя два N-канальных МОП-транзистора NexFET и контроллер.

40-выводной корпус имеет шесть контактов VIN и семь контактов VSW, расположенных напротив друг друга, как показано на рисунке 5. (Источник: Texas Instruments)

Заключение

Серверное и телекоммуникационное оборудование характеризуется низкими рабочими напряжениями и высокими токами. В таких приложениях крайне важно эффективно использовать свободное пространство, например, за счет увеличения плотности мощности синхронных понижающих POL-преобразователей.

Существует три способа повышения плотности мощности DC/DC-преобразователей: использование новых методов управления и топологий, применение более эффективных силовых транзисторов, использование улучшенных корпусных исполнений. Кроме того, выбор оптимального решения возможен только после тщательного анализа всех компромиссных вариантов и с учетом особенностей конкретного приложения.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
CSD16321Q5
CSD16321Q5
Texas Instruments
Арт.: 379214 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
N-Channel NexFET™ Power MOSFET 8-VSON-CLIP -55 to 150
CSD16321Q5
-
Поиск
предложений
CSD16322Q5
CSD16322Q5
Texas Instruments
Арт.: 379215 PDF AN RD
Поиск
предложений
N-Channel NexFETВ™ Power MOSFETs 8-VSON-CLIP -55 to 150
CSD16322Q5
-
Поиск
предложений
CSD16325Q5
CSD16325Q5
Texas Instruments
Арт.: 379217 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
N-Channel NexFETв„ў Power MOSFET 8-VSON-CLIP -55 to 150
CSD16325Q5
-
Поиск
предложений
CSD16327Q3
CSD16327Q3
Texas Instruments
Арт.: 987510 PDF AN RD
Поиск
предложений
MOSFET N-Channel NexFET Pwr MOSFET
CSD16327Q3
-
Поиск
предложений
CSD87381P
CSD87381P
Texas Instruments
Арт.: 1199269 PDF RD
Поиск
предложений
MOSFET Sync Buck NexFET Pwr Block II
CSD87381P
-
Поиск
предложений
CSD13303W1015
CSD13303W1015
Texas Instruments
Арт.: 1230166 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
N-Channel NexFET™ Power MOSFET
CSD13303W1015
-
Поиск
предложений
CSD15571Q2
CSD15571Q2
Texas Instruments
Арт.: 1230167 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
MOSFET 20V N-Channel NexFET Pwr MOSFET
CSD15571Q2
-
Поиск
предложений
CSD13201W10
CSD13201W10
Texas Instruments
Арт.: 1318521 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
N-Channel NexFET™ Power MOSFET
CSD13201W10
-
Поиск
предложений
CSD87381PT
CSD87381PT
Texas Instruments
Арт.: 1340323 PDF AN RD
Поиск
предложений
MOSFET Sync Buck NexFET Pwr Block II
CSD87381PT
-
Поиск
предложений
CSD13306WT
CSD13306WT
Texas Instruments
Арт.: 1914927 PDF AN RD
Поиск
предложений
MOSFET 12V N-Channel NexFET Power MOSFET
CSD13306WT
-
Поиск
предложений
TPS548D22RVFR
TPS548D22RVFR
Texas Instruments
Арт.: 2120414 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
1.5Vin to 16Vin, 40A SWIFT Synchronous Step-Down Converter with Full Differential Sense 40-LQFN-CLIP -40 to 125
TPS548D22RVFR
-
Поиск
предложений
TPS548D22RVFT
TPS548D22RVFT
Texas Instruments
Арт.: 2120415 PDF AN RD DT
Поиск
предложений
1.5Vin to 16Vin, 40A SWIFT Synchronous Step-Down Converter with Full Differential Sense 40-LQFN-CLIP -40 to 125
TPS548D22RVFT
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()