Convertoarele DC-DC de tip Point-of-Load (POL) soluționează problemele de precizie a tensiunii, de eficiență și de latență

Întrebare

De ce să folosiți surse de alimentare (POL – Point-of-Load) atunci când convertorul DC-DC se află cât mai aproape posibil de sarcină?

Răspuns

Eficiența și acuratețea sunt două mari avantaje, dar realizarea conversiei POL necesită o anumită atenție în proiectarea regulatorului.
Proximitatea față de alimentare. Este una dintre cele mai bune modalități de a îmbunătăți acuratețea tensiunii, eficiența și răspunsul dinamic al unei linii de alimentare. Un convertor de tip POL (point-of-load) este un convertor DC-DC plasat cât mai aproape posibil de sarcină pentru a realiza apropierea de putere (alimentare). Printre aplicațiile care beneficiază de convertoare POL se numără procesoarele de înaltă performanță, SoC-urile și FPGA-urile – toate acestea necesitând niveluri de putere din ce în ce mai mari. În aplicațiile auto, de exemplu, numărul de senzori utilizați pentru un sistem avansat de asistență a șoferului (ADAS) – cum ar fi aceia din sistemele radar, LIDAR și de viziune – crește în mod constant, ceea ce duce la necesitatea unei procesări mai rapide a datelor (mai multă putere) pentru a detecta și urmări obiectele din jur cu o latență minimă.

Figura 1. Căderea de tensiune la ieșirea convertorului DC-DC cu traseu PCB mai îngust.

Multe dintre aceste sisteme digitale funcționează la un curent ridicat și la tensiuni scăzute, ceea ce sporește necesitatea de a minimiza distanța dintre sursa de putere și sarcină. O problemă evidentă în cazul curenților mari este reprezentată de căderile de tensiune induse de traseu, de la convertor la sarcină. Figurile 1 și 2 ilustrează modul în care prin reducerea la minimum a rezistenței cablurilor dintre sursă și sarcină se minimizează căderea de tensiune la ieșirea convertorului – în acest caz, un controler IC și MOSFET-urile care alimentează un CPU.

Figura 2. Căderea de tensiune la ieșirea convertorului DC-DC cu traseu PCB mai lat.

Traseul PCB mai lat prezentat în figura 2 reduce căderea de tensiune pentru a respecta cerința de precizie, dar trebuie luată în considerare și inductanța parazită. Lungimea traseului PCB din figura 2 are o inductanță estimată de aproximativ 14,1 nH, după cum se arată în modelul LTspice® din figura 3.

Figura 3. Un model LTspice pentru inductanța traseului PCB.

Deoarece inductanța suprimă modificările dinamice ale curentului, di/dt, atunci când se modifică sarcinile, curentul care trece prin această inductanță parazită este limitat de constanta sa de timp, ceea ce deteriorează răspunsul tranzitoriu. Inductanța parazită determină căderi de tensiune, așa cum se arată în simularea din figura 4.

Figura 5. Amplasarea ideală a unui convertor DC-DC lângă CPU.

Figura 4. O cădere de tensiune la ieșirea convertorului DC-DC datorită unui curent tranzitoriu.

Plasarea unui convertor în apropierea sarcinii minimizează efectul rezistenței PCB-ului și al inductanței parazite. Convertorul DC-DC trebuie plasat cât mai aproape posibil de CPU. Rețineți că figurile 1 și 2 prezintă schema pentru o sursă de alimentare tradițională de curent ridicat – și anume, un controler în comutație și FET-uri externe. Soluțiile FET ale controlerului pot face față sarcinilor de curent ridicat cerute de aplicațiile menționate mai sus. Problema care apare în cazul unei soluții de controler este că FET-urile externe au cerințe de spațiu ce pot face dificilă obținerea unei adevărate soluții de regulator POL, așa cum este exemplificat în schema prezentată în figura 5.

Figura 6. Un regulator coborâtor LTC3310S.

O alternativă la un controler este o soluție monolitică în care FET-urile sunt integrate în convertor. De exemplu, regulatorul coborâtor LTC3310S (amprentă de 3 mm × 3 mm a circuitului integrat) permite soluții POL de până la 10A pentru un singur circuit integrat sau 20A cu mai multe circuite integrate în paralel. Aceste circuite integrate sunt prezentate în figurile 6 și, respectiv, 12.

Figura 7. Amprenta mică a LTC3310S permite o plasare POL.

În plus față de dimensiunea mică a capsulei sale, LTC3310S suportă o frecvență maximă de comutație de 5 MHz – operarea la frecvențe ridicate reduce capacitanța de ieșire necesară și amprenta totală a soluției pe PCB. Figura 8 prezintă performanța circuitului LTC3310S în regim tranzitoriu de sarcină, unde o schimbare de sarcină de 8 A duce la o excursie a tensiunii de ieșire mai mică de ±40 mV, obținută cu o capacitanță de ieșire de numai 110 µF.

Figura 8. Răspunsul tranzitoriu al circuitului LTC3310S.

În ciuda avantajelor evidente ale utilizării convertoarelor POL monolitice de mare putere, există o posibilă problemă: căldura. În cazul în care convertorul produce prea multă căldură, acesta nu va rezista atunci când este utilizat într-un sistem deja fierbinte.

În soluția propusă mai sus, creșterea temperaturii interne a convertorului LTC3310S este minimizată prin intermediul unei funcționări de înaltă eficiență, ceea ce îi permite să funcționeze în mod fiabil chiar și în condițiile de temperatură severă din jurul componentelor mari consumatoare de putere, cum ar fi procesoarele, SoC-urile și FPGA-urile. În plus, LTC3310S include senzori de temperatură internă de mare precizie, ceea ce permite măsurarea temperaturii joncțiunii interne prin intermediul pinului SSTT, așa cum se arată în figura 10, iar în figura 11 este prezentată caracteristica rezultată a senzorului de temperatură.

Figura 9. O imagine a LTC3310S realizată de o cameră termică.

Figura 10. Pin de detectare a temperaturii la LTC3310S.

Figura 11. Operare cu start soft și monitorizare a temperaturii.

Unele regulatoare monolitice pot fi adaptate la aplicații cu sarcini mai mari prin operare în paralel, în mai multe faze. Figura 12 prezintă mai multe dispozitive LTC3310S conectate în paralel și funcționând în defazaj pentru a dubla capacitatea de curent.

Ceasul controlerului este setat de un singur rezistor pe pinul RT, cu faza (fazele) relative ale subnodului (subnodurilor) programate prin intermediul unui divizor rezistiv pe pinul RT. În cazul prezentat în figura 12, RT este legat la masă pentru a seta subnodul defazat la 180° față de controler.

Figura 12. O soluție de regulator POL de 20 A, dublu fazat.

Figura 13 prezintă curentul inductorului și curentul de riplu de ieșire pentru un convertor cu 2 canale, ilustrat în figura 12. Performanța în fază este comparată cu performanța duală, antifazată. Operarea antifazată reduce curentul de riplu de ieșire (prin anulare) de la 14 A vârf la vârf (monofazat) la 6 A vârf la vârf (bifazat) fără filtre externe suplimentare.

Figura 13. Compararea curentului inductorului și a curentului de ieșire pentru două versiuni ale unui convertor cu 2 canale: (a) canale în fază vs. (b) antifază.

Concluzie

Pe scurt, LTC3310S este o soluție POL eficientă și compactă pentru sistemele de alimentare de mare curent, care alimentează CPU-uri, SoC-uri și FPGA-uri cu consum mare de putere. Amprenta sa mică și eficiența energetică optimizată au ca rezultat o disipare redusă a căldurii proprii, permițându-i să fie plasat foarte aproape de sarcini. Acesta poate fi ușor conectat în paralel pentru creșterea puterii folosind mai multe dispozitive LTC3310S într-o soluție multi-fază.

Autor: Atsuhiko Furukawa, Field Applications Engineer

Atsuhiko Furukawa s-a alăturat companiei Linear Technology (acum parte a Analog Devices) în 2006. De peste 10 ani oferă asistență tehnică pentru diverse aplicații pentru clienți mici și mijlocii. A trecut la segmentul auto în 2017 și acum proiectează aplicații auto uriașe (mai mulți kW), precum și aplicații auto de siguranță de mici dimensiuni. Atsuhiko este un alergător de maraton, recordul său cel mai bun fiind de 3 ore și 3 minute. El poate fi contactat la atsuhiko.furukawa@analog.com.

Analog Devices