傳統(tǒng)上使用降壓型DC / DC轉(zhuǎn)換器為此類(lèi)架構(gòu)供電，但是隨著電源軌的數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)的分立式降壓型DC / DC轉(zhuǎn)換器與控制IC和內(nèi)部或外部功率MOSFET以及外部電感器一起使用和電容器-可能很復(fù)雜且耗時(shí)。取而代之的是，設(shè)計(jì)人員可以使用具有多個(gè)電源軌和可編程順序的自包含降壓型DC / DC轉(zhuǎn)換器模塊，以更好地控制EMI，產(chǎn)生的熱量更少，占用空間更小。

 

本文將介紹嵌入式設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)需求，并討論各種方法以及設(shè)計(jì)人員需要考慮的因素，然后再介紹自包含的降壓型DC / DC模塊。然后，它將使用Monolithic Power Systems的示例設(shè)備來(lái)簡(jiǎn)要回顧設(shè)計(jì)人員需要記住的設(shè)計(jì)和布局注意事項(xiàng)，以非常大程度地發(fā)揮這些模塊的性能優(yōu)勢(shì)。

 

為什么嵌入式系統(tǒng)需要許多電源軌

諸如5G基站之類(lèi)的嵌入式設(shè)計(jì)旨在支持智能手機(jī)和智能連接設(shè)備在家庭和工業(yè)自動(dòng)化，自動(dòng)駕駛汽車(chē)，醫(yī)療保健和智能可穿戴設(shè)備等應(yīng)用中不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量要求。此類(lèi)基站通常使用48伏輸入電源，該輸入電源由DC / DC轉(zhuǎn)換器降壓至24伏或12伏，然后進(jìn)一步降壓至范圍從3.3伏至不到1伏的許多子軌，以為ASIC，F(xiàn)PGA供電，DSP和其他設(shè)備處于基帶處理階段。通常，電源軌需要按順序進(jìn)行啟動(dòng)和關(guān)閉，這進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)人員的電源系統(tǒng)復(fù)雜性。

 

以5G基站為例，傳統(tǒng)的CPU本身已無(wú)法滿(mǎn)足處理要求。但是，將加速卡與FPGA一起使用具有系統(tǒng)可重新配置性，靈活性，開(kāi)發(fā)周期短，高度并行計(jì)算和低延遲的優(yōu)點(diǎn)。但是，F(xiàn)PGA電源的可用空間正在縮小，并且電源軌性能要求也很復(fù)雜（圖1）：

 

輸出電壓偏移：電壓軌的輸出電壓偏移必須小于±3％，設(shè)計(jì)中應(yīng)留有足夠的余量。通過(guò)優(yōu)化控制環(huán)路以增加帶寬并確保其穩(wěn)定性，去耦電容器應(yīng)謹(jǐn)慎使用和設(shè)計(jì)。

單調(diào)啟動(dòng)：所有電壓軌的啟動(dòng)必須單調(diào)上升，并且設(shè)計(jì)應(yīng)防止輸出電壓返回其初始值。

輸出電壓紋波：在穩(wěn)態(tài)操作中，所有電壓軌（模擬電壓軌除外）的輸出電壓紋波必須非常大為10毫伏（mV）。

時(shí)序：在啟動(dòng)和關(guān)閉期間，F(xiàn)PGA必須滿(mǎn)足特定的時(shí)序要求。

圖1：由于不斷增長(zhǎng)的計(jì)算需求，加速卡上的處理器尺寸增加了，幾乎沒(méi)有電源供應(yīng)空間。

 

隨著數(shù)據(jù)處理帶寬需求變得越來(lái)越苛刻，處理器需要更多的電流和功率。加速卡的計(jì)算密度和浮點(diǎn)速度要求也變得越來(lái)越難以為工業(yè)所滿(mǎn)足。加速卡插槽通常是PCIe標(biāo)準(zhǔn)化的，因此板的尺寸是固定的。由于不斷增長(zhǎng)的計(jì)算需求，處理器的尺寸已經(jīng)增加，為電源留出的空間很小。

 

電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)替代方案

將傳統(tǒng)的離散降壓型DC / DC轉(zhuǎn)換器與控制IC和內(nèi)部或外部功率MOSFET以及外部電感器和電容器一起使用是嵌入式系統(tǒng)供電的一種方法。如上所述，對(duì)于需要多軌電源解決方案的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)復(fù)雜且耗時(shí)的過(guò)程。除了考慮效率非常大化和解決方案尺寸非常小化之外，設(shè)計(jì)人員還必須注意濾波器組件的布局和布置，以非常小化轉(zhuǎn)換器和電感器電路中的開(kāi)關(guān)電流所引起的傳導(dǎo)和輻射EMI（圖2）。

圖2：分立的降壓型DC / DC轉(zhuǎn)換器具有設(shè)計(jì)人員必須管理的多個(gè)EMI源。

 

DC / DC轉(zhuǎn)換器通常會(huì)通過(guò)磁場(chǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)性EMI，該磁場(chǎng)來(lái)自形成在輸出功率MOSFET開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)與地之間以及輸入電容器與地之間的電流環(huán)路。它們還從MOSFET開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)到電感器連接之間產(chǎn)生輻射電場(chǎng)EMI，該輻射電場(chǎng)dV / dt高，因?yàn)樗�不斷從高輸入電壓電平切換到地，并從電感器內(nèi)部產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中產(chǎn)生。無(wú)法正確設(shè)計(jì)往往會(huì)導(dǎo)致耗時(shí)的EMI實(shí)驗(yàn)室重新測(cè)試和多次設(shè)計(jì)迭代。

 

使用分立的降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器為ASIC或FPGA供電的四軌解決方案可占用1220平方毫米（mm 2）（圖3）。使用基于電源管理IC（PMIC）的解決方案，該尺寸可以減小到約350 mm 2。作為替代方案，設(shè)計(jì)人員可以使用獨(dú)立的四路輸出DC / DC轉(zhuǎn)換器模塊將解決方案尺寸減小到僅121 mm 2，同時(shí)還可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。半導(dǎo)體工藝技術(shù)和封裝結(jié)構(gòu)的進(jìn)步意味著非常新一代的DC / DC模塊以很小的尺寸實(shí)現(xiàn)了非常高的功率密度，高效率和良好的EMI性能。

圖3：與分立解決方案相比，使用集成的DC / DC模塊解決方案可以節(jié)省多達(dá)90％的電路板空間。

 

新的構(gòu)造技術(shù)，例如封裝內(nèi)倒裝芯片和“網(wǎng)格連接”引線(xiàn)框架技術(shù)，意味著可以將IC，電感器和無(wú)源器件直接安裝到引線(xiàn)框架上，而無(wú)需引線(xiàn)鍵合或額外的內(nèi)部pc板（圖4）。 ）。與使用內(nèi)部印刷電路板基板或引線(xiàn)鍵合的舊式結(jié)構(gòu)相比，可將連接走線(xiàn)的長(zhǎng)度減至非常少，并且直接連接至無(wú)源元件可使電感保持較低，從而將EMI降至非常低。

圖4：采用引線(xiàn)框架進(jìn)行互連的新型結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn)：可以更好地控制EMI，改善散熱，并減小占位面積。

 

與可直接輻射至EMI的引線(xiàn)的替代單列直插式（SIL）或SIL封裝（SIP）樣式的轉(zhuǎn)換器相比，使用直接表面安裝至目標(biāo)PCB的焊盤(pán)柵格陣列（LGA）封裝格式可降低EMI分布。

 

四路輸出可編程集成DC / DC模塊

 

為了滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)的多軌，高功率密度需求，設(shè)計(jì)人員可以求助于MPM54304來(lái)自Monolithic Power Systems（圖5）。MPM54304是一個(gè)完整的電源管理模塊，集成了四個(gè)高效，降壓型DC / DC轉(zhuǎn)換器，電感器和靈活的邏輯接口。MPM54304可在4伏至16伏的輸入電壓范圍內(nèi)工作，可支持0.55伏至7伏的輸出電壓范圍。四個(gè)輸出軌可支持高達(dá)3安培（A），3 A，2 A和2 A的電流。兩個(gè)3 A軌和兩個(gè)2 A軌可并聯(lián)以分別提供6 A和4A。設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意，并聯(lián)模式下的非常大輸出電流也受到總功耗的限制。這提供了生成幾種輸出配置的靈活性（受總功耗限制）：

 

3 A，3 A，2 A，2 A

3 a，3 A，4 A

6 A，2 A，2 A

6 A，4 A

圖5：MPM54304是完整的4V至16V輸入四路輸出降壓型電源管理模塊。

 

MPM54304還為啟動(dòng)和關(guān)閉提供內(nèi)部排序。軌道配置和排序可以通過(guò)多次可編程（MTP）電子保險(xiǎn)絲或通過(guò)I 2 C總線(xiàn)進(jìn)行預(yù)編程。

 

該固定頻率恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制DC / DC轉(zhuǎn)換器可提供快速的瞬態(tài)響應(yīng)。其默認(rèn)的1.5兆赫茲（MHz）開(kāi)關(guān)頻率大大減小了外部電容器的尺寸。在連續(xù)電流模式（CCM）工作期間，開(kāi)關(guān)時(shí)鐘被鎖定，并從buck 1降到buck 4。輸出電壓可通過(guò)I 2 C總線(xiàn)調(diào)節(jié)，或通過(guò)MTP電子保險(xiǎn)絲預(yù)置。

 

全面的保護(hù)功能包括欠壓鎖定（UVLO），過(guò)流保護(hù)（OCP）和熱關(guān)機(jī)。MPM54304所需的外部組件數(shù)量非常少，并采用節(jié)省空間的LGA（7 mm x 7 mm x 2 mm）封裝提供（圖6）。LGA的低矮外形使其適合于板后放置或散熱器下方。

圖6：MPM54304的LGA封裝提供了一種緊湊且小巧的解決方案，具有低EMI

 

設(shè)計(jì)和布局注意事項(xiàng)

MPM54304的邊緣具有簡(jiǎn)單的引腳排列，使布局和PCB設(shè)計(jì)更加容易。只需五個(gè)外部組件，整個(gè)解決方案便小而緊湊。LGA封裝允許堅(jiān)固的接地層覆蓋模塊下方的大部分區(qū)域，這有助于閉合渦流環(huán)路并進(jìn)一步降低EMI。

 

該降壓轉(zhuǎn)換器具有不連續(xù)的輸入電流，并且需要一個(gè)電容器來(lái)向轉(zhuǎn)換器提供交流電流，同時(shí)保持直流輸入電壓。設(shè)計(jì)人員應(yīng)使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）電容器來(lái)獲得非常佳性能。推薦使用具有X5R或X7R電介質(zhì)的陶瓷電容器，因?yàn)樗鼈兊腅SR低且溫度系數(shù)小。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，使用22微法拉（µF）電容器就足夠了。

 

高效的印刷電路板布局對(duì)于MPM54304的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。建議使用四層印刷電路板以獲得更好的散熱性能（圖7）。為了獲得非常佳結(jié)果，設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：

 

保持電源環(huán)路盡可能小

請(qǐng)使用較大的接地層直接連接至PGND。如果底層是接地層，則在PGND附近添加過(guò)孔。

確保GND和VIN處的大電流路徑走線(xiàn)短，直且寬

陶瓷輸入電容器應(yīng)盡可能靠近器件放置

輸入電容和IN應(yīng)盡可能短而寬

將VCC電容器放置在盡可能靠近VCC和GND引腳的位置

將VIN，VOUT和GND連接到大面積的銅上以改善熱性能和長(zhǎng)期可靠性

將輸入GND區(qū)域與頂層上的其他GND區(qū)域分開(kāi)，并通過(guò)多個(gè)過(guò)孔將它們?cè)趦?nèi)部層和底層上連接在一起

確保內(nèi)部層或底層上有集成的GND區(qū)域

使用多個(gè)過(guò)孔將電源層連接到內(nèi)部層

圖7：使用MPM54304四路輸出電源模塊時(shí)，建議使用四層印刷電路板布局。

 

結(jié)論

隨著處理體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展以解決苛刻的數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)人員面臨著開(kāi)發(fā)多軌電源解決方案的挑戰(zhàn)，該解決方案可以支持靜態(tài)或收縮形式的增加的處理能力和電子設(shè)備。降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器是為這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源解決方案的關(guān)鍵組件，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)可能很復(fù)雜。

 

如圖所示，設(shè)計(jì)人員可以使用具有多個(gè)電源軌和可編程序列的自包含降壓型DC / DC轉(zhuǎn)換器模塊，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程并加快了上市時(shí)間。同樣，使這些獨(dú)立模塊成為可能的新構(gòu)造技術(shù)具有許多性能優(yōu)勢(shì)：更好地控制了EMI，改善了散熱，并減小了占地面積。