Рубрики
Технологии силовой электроники

Микросхемы Primarion для цифрового управления мощностью

Микросхемы Primarion для цифрового управления мощностью Анатолий Бербенец Рассмотрены особенности цифровых контроллеров и сопутствующих микросхем для построения высокостабильных DC

Микросхемы Primarion для цифрового управления мощностью Анатолий Бербенец

Рассмотрены особенности цифровых контроллеров и сопутствующих микросхем для построения высокостабильных DC/DC преобразователей напряжения, размещаемых на печатной плате конкретно у низковольтных нагрузок (0,8…5–15 В), потребляющих токи до 200 А. Приведен обзор компонент для цифрового управления мощностью, выпускаемых компанией Primarion, включенной в 2008 году в состав Infineon Technologies.

икросхемы для цифрового управления мощностью (ЦУМ) — быстрорастущий рынок полупроводниковых компонент для источников питания. Они теснят классические аналоговые решения и являются новым уровнем развития аналого-цифровых контроллеров для ШИМ-преобразования. Главные достоинства источников питания на базе таких микросхем могут быть сформулированы последующим образом:

  • Возможность оптимизации эффективности и черт источника питания в процессе работы («на лету»), методом подстройки характеристик управления в ответ на наружные возмущения.

  • Расширенная самодиагностика, телеметрия, нелинейные режимы управления преобразованием.

Все это позволяет создавать системы электропитания завышенной интеграции и с наименьшей удельной ценой, за счет исключения массивных фильтрующих конденсаторов и разных резисторов, созданных для подстройки характеристик, как, к примеру, в аналоговых источниках питания, в том числе и в обычных ШИМ DC/DC-преобразователях.

Разглядим современные микросхемы для ЦУМ на примере контроллеров DC/DC-преобразователей, созданных для питания микропроцессоров компьютерных материнских плат и серверов. Конкретно в этих задачках более концентрированно проявилась необходимость в новых подходах к контроллерам источников питания. Хотя принципы ЦУМ уже обширно внедряются и в современных модульных источниках, как AC/DC, так и DC/DC [1]. Тенденции питания процессоров

С увеличением степени интеграции процессоров и заказных ИС возросли их многофункциональные способности, повысились электронные свойства и рабочая частота, возросла потребляемая мощность. Это, в свою очередь, выдвинуло очень высочайшие требования к чертам источников питания, в особенности в части точности поддержания напряжения питания, способностей контроля и управления параметрами в реальном времени средством цифровой коммуникационной шины. На рис. 1 приведены графики, иллюстрирующие современные тенденции развития процессорных ИС. Видно, что с увеличением степени интеграции (от 180 до 40 мкм) миниатюризируется напряжение питания ядра микропроцессора (от 1,8 до 0,9 В) и растет потребляемый ток (от 40 до 160 А). При всем этом суммарная погрешность поддержания напряжения питания не должна превосходить 3%, что составляет менее ~24 мВ по всем возмущающим воздействиям, включая динамические. А именно, для микропроцессора с тактовой частотой более 3 ГГц скачок тока употребления может достигать 100 А при скорости нарастания тока нагрузки до 1000 А/мкс. Решить эти трудности можно методом прибавления умственных функций в DC/DC-контроллеры, введения цифровых линий связи, что позволяет контроллеру и микропроцессору обмениваться данными и даже передавать часть функций по оптимизации питания микропроцессору.
Микросхемы Primarion для цифрового управления мощностью
Системные тенденции питания

С возникновением низковольтных нагрузок, потребляющих огромные токи, стала тривиальной финансовая и техно необходимость размещения DC/DC-преобразователей в конкретной близости от ИС — потребителя этого питания. Этот принцип получил заглавие POL (Point-of-Load). В первый раз примененный для питания микропроцессоров, этот способ сейчас употребляется для питания ИМС памяти, графических чипсетов, телекоммуникационных микропроцессоров. На системном уровне при разводке печатных плат используют способ, именуемый IBA (Intermediate-Bus-Architecture). Это промежная питающая шина, к примеру, 12 В, от которой питаются DC/DC-преобразователи, размещенные рядом с нагрузкой. Применение способа IBA позволяет существенно уменьшить количество и толщину слоев печатной платы. ИМС Primarion. Цифровой многофазный контроллер питания процессорного ядра

Номенклатура микросхем для ЦУМ, выпускаемых компанией Primarion, приведена на рис. 2 [2]. Можно выделить две группы микросхем — конкретно цифровые контроллеры DC/DC (1-ые 4 семейства микросхем на рис. 2) и вспомогательные микросхемы, в состав которых входят микросхемы скоростных MOSFET-драйверов, в том числе и новинка — драйвер с вставленными MOSFET-ключами (серия iPS). Микросхемы драйверов созданы для совместной работы с цифровыми контроллерами DC/DC-преобразователей.
Микросхемы Primarion для цифрового управления мощностью

Разглядим работу контроллера на примере микросхемы PX3535 — 6-фазного цифрового контроллера и микросхемы драйвера PX3515, которые созданы для построения 6 синхронных понижающих DC/DC-пре-образователей, работающих параллельно на одну нагрузку (один выход) — процессорное ядро Intel либо AMD. В чем все-таки принципное отличие цифрового контроллера от обилия выпускаемых ШИМ-контроллеров для импульсных источников питания? В контроллере заложены 4 главных технических решения, которые обеспечивают точность поддержания характеристик, умственные характеристики и экономическую эффективность систем на его базе:

  1. Самокалибровка датчика тока.
  2. Поочередная шина для управления, программирования и диагностики.
  3. Интегрированная энергонезависимая память.
  4. Активный переходный режим.

Блок-схема PX3535 приведена на рис. 3. Микросхема сделана на базе КМОП-тех-нологии и представляет собой 6-фазный контроллер для источников питания микропроцессоров AMD и Intel VR-10.X.
Микросхемы Primarion для цифрового управления мощностью

На кристалле расположены последующие главные блоки:

  • АЦП выходного напряжения, модифицирующий напряжение в цифровой код с разрешающей способностью, эквивалентной 3 мВ.

  • АЦП выходного тока, модифицирующий сигналы, получаемые с 6 датчиков фазных токов. АЦП переключается меж датчиками тока каждой из 6 фаз и берет подборку с каждой фазы за каждый цикл переключения. Тем же АЦП, но случайным образом, делается опрос температурного детектора. По случайному методу делается и мониторинг выходного напряжения.

Оцифрованные подборки тока обрабатываются цифровым блоком (channel current), который вычисляет среднее значение тока, обеспечивает балансировку фазных токов, защиту по токовой перегрузке, активное смещение напряжений AVP (Active Voltage Positioning). Для оптимизации каждой из перечисленных операций может быть запрограммирован личный цифровой фильтр. В этом же блоке делается компенсация температурной погрешности тока фаз — при помощи запрограммированной таблицы температурных поправок.

  • Блок ПИД (PID) компенсации погрешностей выборок выходного напряжения с следующей цифровой фильтрацией для снижения частотного шума. Любой из 3-х коэффициентов ПИД-компенсатора и коэффициенты фильтра программируются юзером. С выхода ПИД-компенсатора выходной сигнал поступает в блок импульсного генератора ШИМ-сигналов, в каком делается запатентованное высокоточное управление шириной импульсов.

  • Блок управления на базе статической машины, который изменяется при включении питания из энергонезависимой памяти, предназначен для системного управления. Все внутренние регистры микросхемы доступны через I2C поочередную шину, что позволяет изменять микросхему, держать под контролем напряжение, средний ток каждого канала, температуру и другие внутренние регистры контроллера. Имеются два вывода сигналов неисправности (Fault1, Fault2), которые назначаются юзером.

  • 2-ой основной блок PX3535 — это контроллер цифровой калибровки (Digital Calibration Controller). Этот блок обеспечивает калибровку токового детектора при включении. Цифровая самокалибровка позволяет использовать в качестве силовых наружных ключей MOSFET-транзисторы без подбора их по сопротивлению включенного канала и получать нагрузочные черт фаз с наименьшим разбросом (наименее 5 мВ).

  • Активный отклик на переходный процесс (ATR). Это запатентованное решение дает возможность уменьшить номиналы наружных фильтрующих электролитических конденсаторов, нужных для обеспечения стабильности выходного напряжения DC/DC-преобразователя при значимых скачкообразных конфигурациях тока нагрузки. Способ реализуется средством слежения за выходным напряжением при помощи быстродействующих компараторов с компенсацией ошибки в блоке ПИД в режиме реального времени.

  • Умственные функции и упругость опций. Для конфигурирования цифровых контроллеров употребляется обычный графический пользовательский интерфейс (GUI), который предоставляет доступ к внутренним регистрам контроллера для конфигурирования и контроля характеристик. Это позволяет управлять чертами DC/DC-преобразователей без конфигурации номиналов компонент на печатной плате.

Средством поочередного интерфейса в систему может быть передана принципиальная информация, к примеру о потребляемом токе,температуре компонент и т. п. Интерфейс может также быть применен для четкой подстройки напряжения и обеспечивает совместную работу нескольких источников питания. Схема включения микросхемы PX3535 приведена на рис. 4.

Микросхемы Primarion для цифрового управления мощностью
Лаконичный обзор продукции Primarion

Как уже упоминалось (рис. 2), выпускаются 6 наборов микросхем для ЦУМ. 1-ые 4 семейства — это, фактически, цифровые контроллеры ШИМ мультифазных понижающих DC/DC-преобразователей. Контроллеры выполнены в компактном 48-выводном корпусе MLF с размерами 5x5x0,9 мм. Разделение на семейства, сначала, обосновано областями внедрения микросхем. Серия PX35хх (5 ИМС) создана для источников питания микропроцессоров Intel и AMD, для так именуемых VRM и VRD модулей материнских плат компьютерных и серверных платформ. Серия PX35xx (2 ИМС) создана для питания графических микропроцессоров. Контроллеры серии PX36хх (3 ИМС) — для питания микросхем DDR-памяти, ASIC, FPGA и микросхем DSP-процессоров. И, в конце концов, новые контроллеры серии DiPOL PX75хх (3 ИМС) созданы для построения цифровых источников питания для самого широкого класса нагрузок POL: телекоммуникационных микросхем, микропроцессоров, памяти, ASIC и FPGA микросхем.

Все микросхемы контроллеров позволяют разрабатывать понижающие DC/DC-преобра-зователи с наибольшим выходным током 60-200 А. Контроллеры работают на тактовых частотах от 100 кГц до 2 МГц, имеют число фаз от 1 до 6, питаются от 1-го источника 3,3 В (напряжение питания серии DiPOL — 5 В). Микросхемы первых 3-х серий имеют I2C шину, микросхемы серии DiPOL обустроены шиной PMBus. Все микросхемы имеют описанные ранее многофункциональные свойства, включая ATR — активный отклик на скачок тока, что в итоге позволяет получить очень низкое значение пульсаций преобразователя и обеспечить погрешность поддержания выходного напряжения в границах ±10 мВ по всем возмущениям.

5-ое семейство микросхем — PX351x — это высокочастотные драйверы силовых MOS-FET-транзисторов для управления верхними и нижними n-канальными MOSFET-ключами в топологиях понижающих DC/DC-преобра-зователей с синхронным выпрямлением. Эти микросхемы вместе с цифровыми контроллерами PX3535 либо PX3538 и n-канальными MOSFET реализуют источник питания ядра современных процессоров.

И, в конце концов, нельзя не упомянуть о новейшей разработке Primarion, семействе iPS — встроенном массивном каскаде, позволяющем вместе с ИМС цифровых мультифазных контроллеров либо микросхем DiPOL получить самый действенный источник питания сильноточных нагрузок в отрасли. По данным производителя, КПД такового источника превосходит 94% [2]. Микросхема PX4650, содержащая кроме драйвера два массивных MOSFET-клю-ча, позволяет дать в нагрузку ток до 50 А, работает на тактовых частотах от 200 кГц до 1,3 МГц, имеет интегрированные защитные функции по току и напряжению, и все это в габаритах QFN-корпуса размером 4×6 мм. Заключение

Увеличение эффективности DC/DC-преоб-разователей, являющихся неотклонимым элементом импульсных источников питания, привело к обильному применению цифровых способов управления мощностью и развитию микросхем мультифазных контроллеров управления DC/DC-преобразованием. Главные свойства цифровых контроллеров — это возможность оптимизации эффективности и черт источника питания в процессе работы («на лету»), методом подстройки характеристик управления в ответ на наружные возмущения; расширенная самодиагностика; телеметрия; нелинейные режимы управления преобразованием. Наборы микросхем контроллеров и драйверов, выпускаемые компанией Primarion, позволяют воплотить малогабаритные источники питания низковольтных нагрузок типа процессоров, ASIC и FPGA, телекоммуникационных микросхем, ИМС памяти с токами употребления до 200 А и КПД, превосходящем 90%.