A piacon megannyi olyan nem izolált DC/DC-átalakító található, amelyek 3,3, 5, ill. 12 V-ról processzormag-feszültségi szintre végeznek feszültségátalakítást. A múltban kiválóan teljesítő rendszerek viszont nem felelnek meg szükségszerűen a legújabb, nagyteljesítményű processzorok igényeinek: az egyre több integrált funkciót tartalmazó, és egyre nagyobb teljesítményű processzorok magfeszültsége már bőven 1 V alatt is lehet, áramfelvételük viszont több amperre is rúghat. A gyártástechnológia fejlődésével tehát a point-of-load1 szabályozóknak is lépést kell tartaniuk. Cikkünkben részleteiben is bemutatjuk az új/megváltozott követelményeket, valamint a legújabb szabályozó- és MOSFET-technológiákat, amelyek támogatják a kerámia tömb-, bypass- és szűrőkondenzátorokat, aktív EMI-szűrést, és kis tűrésű feszültségszabályozást is. Az ismertetett megoldásokkal nagy hatásfokú, kis formatényezőjű és nagy megbízhatóságú rendszerek tervezhetők.
Újgenerációs szabályozási technológiák
![1. ábra. A TPS4030x termékcsalád felépítése 1. ábra. A TPS4030x termékcsalád felépítése](/images/stories/cikkek/old/konstruktorklub/alkatresz/texas/10_june/figure_2.jpg)
Az újgenerációs DC/DC-átalakítókat (mint pl. a TI TPS4030x termékcsalád) a hatásfok szempontjából optimalizálták, és olyan funkciókkal egészítették ki, amelyek igazodnak napjaink nagy bonyolultságú, több egyenfeszültség-szinttel működő processzorai követelményeihez. A TPS4030x család nagyteljesítményű meghajtói például nagyon gyorsan kapcsolják be a külső MOSFET-eket és a teljes terhelés-tartományban gyorsan elérik a nagy hatásfokú működési állapotot. Az integrált diódás boot strap áramkör lehetővé teszi kis RDS(ON) ellenállású, n-csatornás MOSFET használatát tápoldali kapcsolóként. A TPS4030x nevű, szinkron feszültségcsökkentő konvertercsalád (lásd 1. ábra) 3 ... 20 V bemeneti feszültséget és 3,3, 5 és 12 V buszfeszültséget támogat. A kontrollerek feszültségmódusú vezérlő architektúrán működnek, a frekvencia spektrumszórás (FSS) támogatással pedig az EMI zajszint jelentősen csökkenthető.
A tervezés rugalmasságát a kontrollerek számos programozható funkció formájában támogatják, amelyek közül nem hiányzik az EN/SS kivezetésre kötött kondenzátorral megvalósítható lágystart, a túláram-védelem (OCP) az LDRV/OC kivezetésre kötött ellenállással, valamint a hurokkompenzáció sem. Normál üzemi működés alatt az ellenállással programozott OCP feszültségszintet összehasonlítja a rendszer az alsó oldali MOSFET-en eső feszültséggel, és ez alapján állapítja meg a túláram eseményt. A hibaok megszűnéséig a kontroller ún "hiccup" módban2 működik.
A tervezés kihívásai EMI szempontból
![2. ábra. A frekvencia spektrumszórással akár 10 dB EMI csúcszaj-csökkentés is elérhető 2. ábra. A frekvencia spektrumszórással akár 10 dB EMI csúcszaj-csökkentés is elérhető](/images/stories/cikkek/old/konstruktorklub/alkatresz/texas/10_june/figure_3.jpg)
Elektronikai ismeretekkel rendelkező berkekben köztudott, hogy a kapcsolóüzemű tápegységek előnyeit némileg ellensúlyozzák a tápimpulzusok magas dv/dt és di/dt változásaiból adódó zajok. Ha a hagyományos EMI zajcsökkentési technikák csődöt mondanak, a frekvencia spektrumszórás lehet a megoldás. A TPS40303x családnál az FSS például egy 267 kΩ ±10% értékű ellenállás BP és EN/SS kivezetés közé csatlakoztatásával aktiválható. Engedélyezett állapotban a konverter egy minimum 12%-os ablakon, 25 kHz-es modulációs frekvenciával és háromszög-profillal szórja a belső oszcillátor frekvenciáját. A kapcsolási frekvencia modulációja oldalsávokat eredményez, az emissziós teljesítmény pedig az alap kapcsolási frekvencia és harmonikusai között kerül felosztásra és a számos oldalsávi frekvencia feletti szétszórásra. Az összhatás nem más, mint a csúcs EMI-zaj jelentős csökkentése, amellyel sokkal könnyebb megfelelni a hivatalos EMI követelményeknek. Az FSS-sel az EMI energia magasabb frekvenciákon akár 10 dB-lel is csökkenthető (lásd 2. ábra).
Tápfeszültség-ütemezés és elővezérelt bekapcsolás
A processzorgyártók többsége időzítési irányelveket ad meg a processzormag és I/O-k bekapcsolására. Ha tisztázottak a teljes rendszer időzítési követelményei, kiválasztható a megfelelő technika. Számos megoldás létezik egy többfeszültségű tápegység fel- és lekapcsolására: ezek a szekvenciális, "ratiometric"3 és egyidejű módszerek. Továbbá sok alkalmazásban van szükség elővezérelt ("pre-biased") bekapcsolásra is.
A szekvenciális ütemezés akkor alkalmazható, ha a mag- és I/O-feszültség felkapcsolása között a megengedett, rendelkezésre álló idő rövid. A sorrend ilyenkor tetszőleges lehet. A TPS4030x esetében a legegyszerűbb módszer ennél a technikánál a kontroller PGOOD kivezetésének a másik kontroller EN/SS kivezetésére csatlakoztatása.
A "ratiometric" ütemezésnél két vagy több konverter EN/SS kivezetését egyszerűen össze kell kötni. Ez az egyszerű technika lehetővé teszi egyetlen, közös lágystart kondenzátor több áramforrásból töltését, és minden kontroller ugyanabban az időpillanatban ugyanolyan felfutással és terjedéssel jellemezhető.
![3. ábra. Elővezérelt bekapcsolási fázis két teljesítményállapottal és a letiltott szinkron FET-tel 3. ábra. Elővezérelt bekapcsolási fázis két teljesítményállapottal és a letiltott szinkron FET-tel](/images/stories/cikkek/old/konstruktorklub/alkatresz/texas/10_june/figure_4.jpg)
Az elővezérelt bekapcsolású rendszerekben az I/O feszültséget a processzor-magfeszültség előtt kapcsolják fel, a két feszültség között pedig egy minimális eltérésnek biztosan lennie kell. A 3. ábrán láthatunk egy elővezérelt bekapcsolásnál tapasztalható hullámformát. Ilyen esetben a processzor gyártója azt javasolja, hogy a magfeszültséget a bekapcsolás előtt diódákkal elővezéreljük, ez megadja ugyanis a szükséges minimális különbséget a mag- és I/O-feszültség között.
Szinkron feszültségcsökkentő DC/DC-átalakító használatakor meg kell bizonyosodni a felől, hogy az alsó oldali MOSFET a felállási fázisban kikapcsolt állapotban van, vagy a már magra kapcsolt vezérlőfeszültség leföldelésre kerül a konverter bekapcsolási fázisának idejére. Ennél fennáll a külső söntdiódák sérülésének veszélye. A mag felkapcsolásánál a magfeszültséget a vezérlőfeszültségről kell felemelni a szükséges szintre.
Ugyanez a helyzet előállhat akkor is, ha a kondenzátortelep előtöltött állapotban marad egy rövid ideig tartó, átmeneti táphibából kifolyólag. Mivel a többfeszültségű rendszereknél ez komoly kárt okozhat a többfeszültségű processzorok ESD-struktúrájában, a javaslat az, hogy olyan elővezérlést támogató kontrollereket használjunk, amelyeknél a szinkron MOSFET a felállási fázisban kikapcsolt állapotban tartható.
NexFET: új standard a teljesítmény MOSFET-eknél
![4. ábra. A MOSFET-ek fejlődése 1980 és 2007 között: a planáris, árok és NexFET struktúrák 4. ábra. A MOSFET-ek fejlődése 1980 és 2007 között: a planáris, árok és NexFET struktúrák](/images/stories/cikkek/old/konstruktorklub/alkatresz/texas/10_june/figure_5.jpg)
Az 1980-as években a MOSFET-gyártóknál az ún. planáris áramkörépítési technológia dominált (lásd 4. ábra). A MOSFET-eknél sarkalatos kérdést jelentő, bekapcsolási ellenállás csökkentése miatt a gyártók a 90-es évektől alkalmazták az árok struktúrát. Az indok erre a lépésre az volt, hogy az alacsonyabb RDS(ON) ellenállású FET-ekkel a point-of-load alkalmazásokban nagyobb áramsűrűség érhető el. Az árok struktúra negatívuma a gate-drain és gate-source elektródák közötti, nagy értékű Miller-kapacitás megléte, amelyek miatt a tranzisztor kapcsolásához nagyobb mennyiségű töltésre van szükség. Ez nagy veszteségeket okoz a kontroller meghajtó körében és a MOSFET-ben kapcsolás alatt, ezáltal érthető, hogy ebben az időben a tervezők vonakodtak a kapcsolási frekvencia emelésétől, hiszen nem szívesen hoztak áldozatot a hatásfok oltárán.
A NexFET teljesítmény MOSFET-ek 2007-ben mutatkoztak be kereskedelmileg. A NexFET eszközök bekapcsolási ellenállása hasonló a TrenchNET® struktúrájú eszközökéhez, a Miller-kapacitások viszont sokkal kevésbé számottevőek. Az RDS(ON) x Qg és RDS(ON) x Qgd vonatkozásában a korábbi technológiákhoz képest ez kb. 50% javítási tényezőt jelent. A nagyobb jósági tényező adott frekvencián nagyobb hatásfokú működést tesz lehetővé, a technológiával továbbá laposabb teljesítményveszteségi görbe érhető el, amely kitolja a kapcsolási frekvencia és a teljesítménysűrűség felső határát.
Az impozáns végeredmény
![5. ábra. A TPS40304 hatásfokfüggvénye 600 kHz frekvencián NexFET tranzisztorokkal 3,3, 5 és 12 V bemeneti feszültségnél, 1,2 V/20 A kimenetnél 5. ábra. A TPS40304 hatásfokfüggvénye 600 kHz frekvencián NexFET tranzisztorokkal 3,3, 5 és 12 V bemeneti feszültségnél, 1,2 V/20 A kimenetnél](/images/stories/cikkek/old/konstruktorklub/alkatresz/texas/10_june/figure_1.jpg)
A legújabb generációs DC/DC-átalakítók és a NexFET tranzisztorok kombinációjából kiváló teljesítményű és hatásfokú (lásd 5. ábra) rendszer születhet, amely alkalmas a többfeszültségű mikroprocesszorokhoz is. A megtervezett áramkör hatásfoka meghaladja a 90%-ot is 20 A kimenetnél és 600 kHz kapcsolási frekvenciánál. A hatásfokfüggvény karakterisztikája a DC/DC-kontroller és a NexFET-ek alacsony kapcsolási vesztesége miatt a teljes terhelési spektrumon lapos, a nagy teljesítmény pedig még a bemeneti feszültség 3,3 V-ról 12 V-ra emelésénél is megmarad. Normális esetben 12 V-on a könnyű terhelési hatásfok lényegesen alacsonyabb 5 A alatt.
1: Point-of-Load (PoL): a PoL rendszerekben az egyedi tápfeszültség-forrásokat azok felhasználási pontjához közel helyezik el. A PoL szabályozás alkalmas többfeszültségű, nagy bonyolultságú, nagy áramfelvételű és zajra érzékeny mikroprocesszoros alkalmazásra is.
2: A "hiccup" működés lényege, hogy túláram esetén a kontroller adott időre lekapcsolja a tápegységet, majd később megkísérli újra felkapcsolni azt. Ha időközben a túláramot kiváltó esemény megszűnt, a tápegység normál üzembe tér vissza, ellenkező esetben elölről kezdődik a ciklus és addig tart, amíg a túláram esete fennáll.
3: A "ratiometric" kifejezés arra utal, ha a rendszerben a kimeneti feszültség és a bemeneti feszültség között bizonyos arányszámú összefüggés van (pl. ha a bemeneti feszültséget megduplázzuk, annak hatására a kimeneti feszültség és megduplázódik).