Point-of-Load-Wandler: Prozessoren und FPGAs mit Strom versorgen – Automotive

Convertisseur de point de charge

20 mai 2022, 14h00 | Mark Patrick, responsable du marketing des fournisseurs chez Mouser Electronics

Mouser, convertisseur DC-DC

Les processeurs, les FPGA et les ASIC ont une chose en commun : ils ont tous une gamme complète de tensions d’alimentation différentes. En cas de problème, les circuits intégrés ne fonctionnent plus correctement ou sont même détruits. Cela peut être évité.

En intégrant de plus en plus de fonctions dans une seule puce, l’espace carte peut être utilisé de manière optimale, les coûts de nomenclature peuvent être optimisés et les défis de gestion de l’alimentation réduits. Cette approche est une bonne nouvelle pour de nombreuses applications, du traitement des données dans l’informatique de pointe à l’accélération des recherches intensives en calcul jusqu’aux robots pour l’automatisation industrielle. Par exemple, des microcontrôleurs, des microprocesseurs et des FPGA sont intégrés avec la technologie radio WLAN, des émetteurs-récepteurs pour les réseaux à haut débit et des modules de cryptage.

Cependant, à mesure que les processeurs, les FPGA et les MPU puissants deviennent plus sophistiqués, plusieurs rails d’alimentation doivent également être fournis. Dans le même temps, les cœurs de processeur et les fonctions périphériques ont tendance à fonctionner avec des tensions d’alimentation plus faibles. De plus, ces circuits intégrés sont très sensibles aux transitoires de tension et à l’ondulation résiduelle, une attention particulière doit donc être portée à l’architecture de l’alimentation et au routage des rails d’alimentation sur le PCB. De plus, la demande du marché pour une faible consommation d’énergie et la possibilité de désactiver des fonctions discrètes tout en maintenant la réactivité des applications mettent à l’épreuve l’architecture de distribution d’énergie.

Cet article vise à montrer comment des modules convertisseurs DC-DC compacts à haute densité avec une faible consommation d’énergie et une tension de sortie (sortie unique) représentent une solution viable.

Les défis de l’alimentation

Les FPGA complexes, les processeurs et les circuits intégrés spécifiques à l’application (ASIC) nécessitent plusieurs rails d’alimentation avec différents niveaux de tension et des courants dynamiques élevés. Dans le même temps, l’architecture de l’alimentation doit respecter une réglementation stricte et des tolérances transitoires. Il est également essentiel pour ces dispositifs hautement intégrés que les rails d’alimentation soient allumés dans un ordre prédéfini (séquencement) lors du démarrage afin d’éviter un comportement anormal de l’application ou des dommages au CI.

Les contraintes de conception incluent l’espace carte, la gestion thermique, le séquençage et le routage des cartes. Qu’est-ce que cela signifie pour les modules convertisseurs DC-DC compacts haute densité, souvent intégrés à une architecture de bus distribué ou de point de charge, alimentant des circuits intégrés aussi complexes ?

Gestion de l’espace sur la carte de circuit imprimé : dans les applications actuelles à espace critique, il est important d’utiliser la zone donnée de manière optimale. Par conséquent, lors du choix d’un convertisseur DC-DC, la préférence est donnée aux composants les moins encombrants. Cependant, en plus des dimensions de l’appareil, il existe d’autres contraintes interdépendantes.

Gestion thermique : La densité de puissance et le rendement d’un convertisseur sont des informations importantes et doivent être vérifiées dans la fiche technique. Une efficacité supérieure à 94 % est typique, mais selon le niveau de courant de sortie, il peut y avoir de la chaleur perdue qui doit être dissipée. Le convertisseur nécessite-t-il donc des coussinets, un montage ou des dissipateurs spéciaux?

Gestion des transitoires et conduction du courant : via le routage des conducteurs
une carte de circuit imprimé, les rails peuvent être soumis à des interférences électromagnétiques provenant d’autres composants et signaux. De plus, de longues traces peuvent entraîner des transitoires de tension lors des pointes de courant sur les grandes cartes de circuits imprimés. Une approche pour réduire les effets des transitoires consiste à placer le convertisseur DC-DC près de la broche d’entrée d’alimentation de l’appareil qu’il alimente. Cette approche est préférée chaque fois que les exigences thermiques du convertisseur et l’espace disponible sur la carte le permettent.

Séquençage du rail d’alimentation : cela nécessite que le processeur hôte accède à une broche d’activation sur le convertisseur DC-DC sélectionné. Idéalement, le convertisseur devrait également avoir une sortie PG (Power Good) pour confirmer le bon fonctionnement.

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Figure 1 : Schéma fonctionnel de la série de convertisseurs abaisseurs TPSM8282xA.

Remplacement pour convertisseur Enpirion

Étant donné qu’Intel a récemment annoncé la suppression progressive des modules convertisseurs de la série Enpirion, les convertisseurs abaisseurs de point de charge TPSM8282x et TPSM8286xA de Texas Instruments conviennent. Les TPSM82821A, 822A et 823A sont de petits modules convertisseurs abaisseurs à profil bas avec une inductance intégrée qui offrent une seule sortie 1A, 2A ou 3A et alternativement des versions en mode basse consommation compatibles avec les broches TPSM82821, 822, 823. Image 1 montre le schéma fonctionnel de la série TPSM8282xA.

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Figure 2 : Schéma de circuit typique pour la sortie fixe 1,8 V du module convertisseur TPSM828222 2A.

Le convertisseur utilise la régulation DCS (Direct Control with Seamless Transition into Power-save Mode), qui fournit une tension de sortie précise avec un comportement de régulation de ligne et de charge rapide et une transition transparente entre les modes PWM et économie d’énergie. La variante PWM forcée en option minimise la
l’ondulation de sortie, car le convertisseur fonctionne en mode de conduction continue sur toute la plage de charge. Une broche d’activation, une sortie Power Good, un démarrage progressif intégré et une protection contre les courts-circuits ne sont que quelques-unes des caractéristiques du TPSM8282xA.

En utilisant un diviseur de tension, la tension de sortie variable couvre une plage de 0,6 V à la tension d’entrée appliquée de 5,5 V maximum, avec une tension de sortie fixe de 1,2 V, 1,8 V, 2,5 V ou 3,3 V est possible. La figure 2 montre une implémentation typique de 2A avec une tension fixe de 1,8V. Le courant de repos chute à 4µA. L’efficacité typique est jusqu’à 95 pour cent.

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Figure 3 : La carte d’évaluation TPSM8282xEVM-80.

La famille TPSM8282x est disponible dans un boîtier de module microSiP à 10 broches mesurant 2,0 mm × 2,5 mm × 1,1 mm et convient pour une alimentation à proximité de la broche Vin d’un processeur. Pour simplifier le prototypage d’une conception TPSM8282x, la carte d’évaluation TPSM8282xEVM-080 fournit une plate-forme pratique (image 3).

La famille de convertisseurs TPSM8286xA présente des caractéristiques similaires à la série TPSM8282xA et se compose d’un module 4A (TPSM82864A) et d’un module 6A (TPSM82866A). Les convertisseurs ont un rendement allant jusqu’à 96 %, ont une inductance intégrée et conviennent à une plage d’entrée de 2,4 V à 5,5 V. Ils sont disponibles en 13 versions avec des tensions de sortie fixes qui couvrent les tensions nominales communes, ou avec un configurable tension de sortie de 0,6 V à la tension d’entrée appliquée. Les convertisseurs TPSM8286x sont logés dans un format QFN surmoulé mesurant 3,5 mm × 4,0 mm × 1,4 mm (-826xA) ou 1,8 mm (-828xAH) et comportent sur la face inférieure du QFN-abritant un grand tampon thermique.

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Figure 4 : Une proposition d’agencement pour un exemple d’implémentation TPSM8286xA, occupant seulement 32 mm² d’espace carte.

La famille TPSM8286xA permet une disposition aussi petite que 32 mm² (Figure 4), économisant un espace précieux sur le circuit imprimé et permettant un placement à proximité de la broche de tension d’entrée du processeur, tout en obtenant une efficacité énergétique élevée et de bonnes performances thermiques . La carte d’évaluation EVM TPSM8286xA est disponible pour la famille TPSM8286xA.


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