Tóm tắt

Bài viết này đề cập đến nhu cầu về các giải pháp nguồn điện tiên tiến trong nhiều ứng dụng công nghệ cao. Các ứng dụng này yêu cầu nhiều nguồn điện áp thấp cho các thành phần như DDR, lõi xử lý và thiết bị I/O. Mật độ tích hợp bán dẫn ngày càng tăng đang thúc đẩy mức tiêu thụ điện năng cao hơn trong các bộ vi xử lý. Nhu cầu về khả năng truyền dữ liệu từ xa để giám sát các thông số như điện áp, dòng điện và nhiệt độ cũng ngày càng tăng. Bài viết này giới thiệu thiết kế bộ điều khiển giảm áp hai pha tích hợp các chức năng quản lý nguồn điện kỹ thuật số. Thiết kế tập trung vào việc đạt được các mục tiêu chính như quy mô, hiệu suất, độ ổn định vòng lặp và đáp ứng quá độ.

Giới thiệu

Hiện nay, các ứng dụng công nghiệp trong lĩnh vực ô tô, máy chủ, viễn thông và truyền thông dữ liệu đòi hỏi các giải pháp hệ thống trên chip (SoC), FPGA và bộ vi xử lý tiên tiến. Những giải pháp này yêu cầu nhiều nguồn điện áp thấp khác nhau, bao gồm 1.1 V cho DDR, 0.8 V cho các lõi xử lý và 3.3 V/1.8 V cho các thiết bị I/O. Do mật độ tích hợp bán dẫn cao, bộ vi xử lý tiêu thụ nhiều điện năng hơn và yêu cầu dòng điện cao hơn.

Hơn nữa, nhu cầu đo lường và truyền dữ liệu từ xa bằng FPGA hoặc bộ vi xử lý có khả năng giám sát điện áp, dòng điện, nhiệt độ và các thông số thiết bị khác đang rất cao. Để đơn giản hóa các giải pháp thiết kế IC, các bộ nguồn tương tự tích hợp ^I2C /PMBus® có thể giám sát các thông số chính và điều khiển việc đo lường và truyền dữ liệu từ xa.

Do đó, các giải pháp nguồn điện phải được tích hợp với I2C ^/ PMBus để cho phép đọc dữ liệu từ xa và lập trình bộ điều khiển, đồng thời cung cấp khả năng dòng điện cao hơn. Các linh kiện đa pha hiệu suất cao đáp ứng các yêu cầu này đang ngày càng phổ biến. Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu các khái niệm thiết kế cho bộ điều khiển giảm áp hai pha có khả năng cung cấp dòng điện liên tục tối đa 40 A từ cả hai kênh và tải tối đa 30 A từ mỗi kênh. Hơn nữa, nó tích hợp các chức năng quản lý nguồn điện kỹ thuật số cho phép lập trình, đo lường và truyền dữ liệu từ xa thông qua giao diện nối tiếp tuân thủ PMBus/I2C. Cần phải ^chú ý đến việc đạt được các mục tiêu thiết kế về kích thước, hiệu suất, độ ổn định vòng lặp và đáp ứng quá độ.

Tại sao hiệu quả lại quan trọng?

Đối với các bộ nguồn điện áp thấp và dòng điện cao, chẳng hạn như các ứng dụng yêu cầu 1 V, 30 A từ nguồn điện 12 V, hiệu suất 80% dẫn đến tổng tổn thất là 7,5 W. Những tổn thất này dẫn đến sinh nhiệt và làm tăng nhiệt độ cho các IC và cuộn cảm. Vì nhiệt độ môi trường trong trung tâm dữ liệu thường cao hơn nhiệt độ phòng, nên sự gia tăng tổn thất này làm tăng nhiệt độ của các IC, đưa chúng đến gần giới hạn tắt máy do quá nhiệt của IC (thường là 150°C). Điều này thậm chí còn nghiêm trọng hơn đối với các ứng dụng điểm tải (POL), vì các bộ chuyển đổi DC-to-DC thường được đặt gần các bộ vi xử lý rất nóng.

Các phần tiếp theo sẽ trình bày một số cách để cải thiện hiệu quả thiết kế linh kiện điện áp thấp và dòng điện cao.

Theo dõi mạch in PCB tại nút phần mềm.

Trong các phiên bản trước của thiết kế bo mạch trình diễn linh kiện hai pha, các cuộn cảm từ pha 1 và pha 2 được định hướng hướng vào nhau như thể hiện trong Hình 1. Hiệu suất EMI sẽ tốt hơn nếu các cuộn cảm được định hướng theo cách này. Nhược điểm của cách định hướng này là nút chuyển mạch (SW) sẽ có đường dẫn tương đối dài, dẫn đến tổn hao đường dẫn PCB cao hơn, đặc biệt là trong điều kiện tải nặng, vì tổn hao dẫn điện tỷ lệ thuận với bình phương của dòng điện (P = I²R ⁾ .

Hình 2 thể hiện ảnh nhiệt dưới điều kiện tải 20 A. Điểm chuyển mạch trở nên rất nóng, với mức tăng nhiệt độ gần bằng nhiệt độ của IC. Thiết kế tối ưu có thể cải thiện tổn thất do đường dẫn trên PCB gây ra.

Trong thiết lập thử nghiệm được thể hiện trong Hình 3, PCB được cắt bớt và cuộn cảm Ch1 được di chuyển gần hơn đến IC để giảm thiểu việc dò tìm các nút SW.

Tùy thuộc vào độ dày và chiều dài của các đường dẫn đồng trên PCB, nút SW có điện trở DC là:

Ở đâu:

Tổng thiệt hại là:

Ở đâu:

Với điều kiện tải 20 A, tổn thất dự kiến ​​phát sinh tại nút SW là:

Sau khi giảm vết SW L = 0,3 cm, tổn thất được cải thiện là:

Mức cải thiện được tính toán đối với tổn thất dự kiến ​​là:

‍

Hình 4 thể hiện sự cải thiện hiệu suất dựa trên kết quả thử nghiệm. Mức giảm tổn thất là 0,22 W đối với điều kiện tải 20 A và 0,53 W đối với điều kiện tải 30 A.

Khi tải tăng, sự khác biệt về hiệu suất càng lớn, có nghĩa là tổn thất dẫn điện (P = I2R ⁾ tại đường mạch in này chiếm ưu thế. Trong điều kiện tải đầy đủ, hiệu suất có thể được cải thiện 1,5%. Cuộn cảm không thể di chuyển lại gần IC hơn; do đó, trên bo mạch Rev 2, cuộn cảm được xoay 90° để hướng về phía IC nhằm giảm chiều dài đường mạch SW, như thể hiện trong Hình 5.

C _IN là tham số bổ sung để chặn các cuộc gọi đến. V _IN

Trong nghiên cứu của chúng tôi, tụ điện đầu vào cũng có tác động đáng kể đến hiệu suất và độ ổn định của các ứng dụng điện áp thấp và dòng điện cao. Các kỹ sư thường bỏ qua tầm quan trọng của thiết kế tụ điện đầu vào và dựa vào kinh nghiệm trước đây trong việc bố trí tụ điện, đôi khi bị hạn chế bởi kích thước tổng thể của giải pháp PCB. Thậm chí, các kỹ sư có thể sử dụng ít tụ điện đầu vào hơn, dẫn đến tăng sự không ổn định và tổn thất.

Hình 6, từ trái sang phải, cho thấy các tụ điện dùng cho việc cắm nóng và chống xung điện. Một tụ gốm lớn (thường là 1210 hoặc 1206) được sử dụng để giảm gợn sóng đầu vào và một tụ gốm nhỏ hơn (0402 hoặc 0201) được sử dụng để giảm gợn sóng tần số cao. Ngoài ra, đối với công nghệ Silent Switcher® 2, một cặp tụ điện được nhúng trong gói để giảm nhiễu chuyển mạch tần số cao và hiện tượng quá áp. Hình ảnh bên phải của Hình 6 cho thấy hai tụ gốm 1206 (màu vàng), bốn tụ gốm 0402 bên ngoài gói (màu xanh lam) và bốn tụ 0402 bên trong gói (màu đỏ). Sử dụng kỹ thuật tháo bao bì, các lỗ được khắc vào gói phía trên khuôn để lộ các tụ điện bên trong gói lên trên bề mặt.

Các tụ điện đầu vào đó được giám sát cùng với các nút chuyển mạch để quan sát hoạt động của các tổ hợp tụ điện đầu vào khác nhau.

Nếu tổng điện dung đầu vào nhỏ (dạng sóng phía trên của Hình 7), sẽ xuất hiện tiếng vo ve lớn trên dạng sóng nút SW trong điều kiện tải nặng. Điều này là do khi công tắc phía trên hoạt động, hầu hết dòng điện được lấy từ tụ điện đầu vào. Tổng điện dung = điện dung nhân với điện áp (Q = CV). Do đó, nếu điện dung nhỏ, sẽ có sự sụt giảm điện áp lớn trên C IN _{, cùng} với cảm ứng ký sinh tại các đường dẫn đầu vào, và vỏ IC sẽ tạo thành một mạch cộng hưởng LC, dẫn đến tiếng vo ve tại nút chuyển mạch. Sự sụt giảm điện áp lớn này sẽ gây ra biến dạng và mất ổn định SW khi các xung nhỏ được theo sau bởi các xung lớn.

Có thể cải thiện sự không ổn định khi chuyển mạch bằng cách tăng điện dung đầu vào để triệt tiêu hiện tượng dao động. So với sự kết hợp C- _IN nhỏ, sự kết hợp C- _IN lớn hơn sẽ tăng gấp đôi tổng điện dung. C- _IN càng gần đỉnh của công tắc thì sự cải thiện càng lớn. Do đó, tốt hơn là nên tăng giá trị của tụ điện trong gói. Trong trường hợp của chúng tôi, hai tụ điện 0,1 μF (0402, X8L) được tăng lên 0,22 μF (0402, X7R) (xem Bảng 1), và quá trình chuyển mạch trở nên ổn định hơn (dạng sóng bên dưới trong Hình 7).

Tuy nhiên, nhược điểm là phạm vi nhiệt độ hoạt động tối đa của IC bị giảm từ 150°C (X8L) xuống 125°C (X7R). Đôi khi, nhiệt độ tối đa của IC là một yếu tố quan trọng cần xem xét, vì nhiều ứng dụng, chẳng hạn như trung tâm dữ liệu, có nhiệt độ môi trường xung quanh trên 70°C. Các kỹ sư cần lưu ý điều này, vì nhiệt độ tối đa có thể vượt quá phạm vi nếu tụ điện được chọn trong gói X7R.

Việc tăng C _{IN không chỉ cải thiện độ ổn định chuyển mạch mà còn nâng cao hiệu suất. Hình 8 cho thấy hiệu suất được cải thiện khoảng 1,4% và tổn thất giảm 0,3 W. Nếu thêm đủ tụ điện đầu vào, việc giảm thể tích vòng và thẻ ở phía đầu vào sẽ dẫn đến tổn thất chuyển mạch lớn hơn. Vì 8 tụ điện 1206 có hiệu suất tương tự như 2 tụ điện 1210, nên lựa chọn C IN} tối ưu trong trường hợp này là 2 tụ điện 22 μF với tụ điện 1210.

Khi lựa chọn tụ điện đầu vào, các kỹ sư cần chú ý đến sự suy giảm điện áp DC, vì tụ điện gốm có dải điện áp định mức DC rộng. Ví dụ, khi so sánh sự suy giảm điện áp DC của tụ 1206 và 1210 ở điện áp 12V, tụ 1206 sẽ có sự suy giảm lớn hơn. Bảng 2 đưa ra hai ví dụ về tụ Murata. Do đó, nên sử dụng tụ 1210 làm tụ đầu vào cho các nguồn điện áp thấp, dòng điện cao.

Mô phỏng SIMPLIS có thể là một công cụ hữu ích giúp các kỹ sư thiết kế tốt hơn các giá trị tối ưu của C _IN . Hình 9 cho thấy bộ điều khiển buck với cảm ứng ký sinh gần đúng dọc theo đường dẫn nguồn. Điện dung đầu vào được điều chỉnh theo sự giảm DC của tụ điện gốm ở điện áp đầu vào 12 V. Vòng điều khiển được cải thiện nếu điện dung đầu vào được tăng gấp đôi từ 2×70 nF lên 2×140 nF (xem Hình 10).

Kết luận

Bài viết này tập trung vào thiết kế nguồn điện áp thấp, dòng điện cao. Hai phương pháp được sử dụng để cải thiện hiệu suất trong điều kiện tải nặng. Do điểm sinh nhiệt tại nút chuyển mạch trên PCB, nơi nhiệt độ tăng gần bằng nhiệt độ của IC, chúng tôi khuyến nghị giảm chiều dài đường dẫn của nút chuyển mạch bằng cách điều chỉnh hướng cuộn cảm để giảm thiểu tổn thất. Thiết kế điện dung đầu vào rất quan trọng nhưng dễ bị bỏ qua. Điện dung đầu vào không đủ dẫn đến sự không ổn định và kém hiệu quả của nguồn điện. Các kỹ sư ứng dụng phải cân nhắc cẩn thận việc cân bằng lượng điện dung đầu vào cho các thiết kế nguồn điện áp thấp, dòng điện cao.