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复杂处理器、FPGA 和 ASIC 的供电问题讨论

admin
2022-04-27
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标签:工业应用

处理器最新发展趋势

随着处理器几何尺寸不断缩小,其发展趋势是把更多功能集成到处理器和可编程逻辑器件内部。片上系统 (SoC) 和系统级封装 (SiP) IC 正成为一种日益流行的方法,可满足许多空间受限的复杂和精密应用要求。微控制器、微处理器、现场可编程门阵列能够与无线 LAN 无线电、高速网络收发器和加密加速引擎封装在一起。

在单个 IC 裸片上实现更多功能有很多好处。然而,市场对于低功耗、关闭离散功能以及保持应用响应能力的要求给功率传输架构带来了巨大负担。

供电挑战

复杂FPGA、处理器和定制的ASIC需要具有不同电压电平、高动态电流,以及能够严格遵守调节和瞬态容限的多个电源轨。这些高度集成的设备还需要在启动时以预定义的顺序对电源轨进行排序,以避免出现异常行为或内部损坏。

DC/DC 转换器是一种为高耗电设备供电的流行方法,是分布式总线或负载点架构的一部分。

对于电源架构师而言,当今的一些设计限制来自电路板空间、热管理、电源轨排序和电源布线等方面。

管理电路板空间:当今许多空间受限的应用需要最佳利用其PCB 空间。在选择 DC/DC 转换器时,应该优先考虑那些具有最小尺寸的方案。然而,除了设备的尺寸之外,还有几个相互关联的其它限制因素,下面将进行讨论。

热管理:转换器的功率密度和效率是在数据表上需要进行研究的重要参数。高于 94% 的转换效率是典型的参数要求,但这仍可能导致需要消散产生的废热,具体取决于消耗的电流或者功率。也需要考虑转换器是否需要特殊的焊盘、安装或散热器。

管理瞬态和电源布线:PCB 周围的电源布线可能会使导轨受到来自其他设备和信号的 EMI 影响。此外,当电流峰值出现时,较长的走线可能会导致大型 PCB上出现电压瞬态。减少瞬态影响的一种方法是将 DC/DC 放置在靠近其供电设备的电源输入引脚位置。在满足转换器散热限制和PCB 空间允许情况下,此方法为首选。

对电源轨进行排序:为此,主机处理器需要访问所选 DC/DC 转换器上的电源使能引脚。理想情况下,转换器还应具有“电源良好”输出以确认令人满意的操作。

TI TPSM82xx DC/DC 降压转换器简介

TI TPSM82 系列的两个最新成员包括 TPSM8282xA 和 TPSMS8286xA 系列。

TPSM8282xA

TPSM82821A、822A 和 823A  是具有集成式电感器的扁平、小型降压转换器模块,可提供单个 1A、2A 或 3A 输出以及引脚兼容的省电模式版本 TPSM82821、822、823。图 1 所示为 TPSM8282xA 系列的功能框图。

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图 1:TPSM8282xA 降压转换器系列的功能框图。(来源: TI)

该转换器采用 DCS 控制拓扑架构,可提供准确的输出电压以及快速的线路和负载瞬态响应,并能够在 PWM 和省电模式之间实现无缝转换。强制 PWM 变体选项通过在整个负载范围内以连续导通模式运行转换器,最大限度地减少输出纹波。使能引脚、电源良好输出、集成软启动和短路保护只是 TPSM8282xA 包含的一部分功能。

通过使用分压器,可变输出电压范围涵盖 0.6VDC 至 Vin,固定输出电压选项包括 1.2VDC、1.8VDC、2.5VDC 或 3.3VDC。图 2所示为一个典型的固定 1.8VDC,2A 转换器实现方案。

静态电流能够降至 4µA。典型的转换效率高达 95%。

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图 2 - 固定 1.8VDC 输出 TPSM828222、2A DC-DC 转换器模块的典型应用电路布局。(来源: TI)

TPSM8282x 系列采用 10 引脚 microSiP 模块封装,尺寸为 2.0 mm x 2.5 mm x 1.1 mm,是提供靠近处理器 Vin 引脚的理想电源选择。

为了简化 TPSM8282x 的原型设计,TPSM8282xEVM-080(参见图 3)评估板能够提供一个方便易用的平台。

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图 3:TPSM8282xEVM-80评估板。(来源: TI)

TPSM8286xA 降压转换器系列具有与 TPSM8282xA 系列类似的特性,包括一个 4A 模块 (TPSM82864A) 和一个 6A 模块 (TPSM82866A) 。这些转换器的能效高达 96%,它还集成有一个电感器,具有 2.4VDC 至 5.5VDC 的输入电压范围。TPSM8286xA系列可提供 13 种固定输出电压版本,涵盖常见的标称电压或 0.6V 至 Vin 可配置输出电压。

TPSM8286x 转换器采用扁平包覆成型 QFN 格式封装,尺寸为 3.5 mm x 4.0 mm x 1.4 mm (-826xA) 或 1.8 mm (-828xAH)。 QFN 封装底部的较大导热垫及其高效率有助于为这种紧凑型转换器提供出色的热管理特性。

TPSM8286xA 系列可以实现紧凑的 32 mm2 布局(参见图 4),能够节省宝贵的 PCB 空间,并允许靠近处理器的 Vin布置,同时实现高工作效率和良好的热性能。有关器件布局和 PCB 设计最佳实施的更多信息,请参见数据表。

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图 4:示例中TPSM8286xA 实施的建议布局,仅占用 32 mm2 电路板空间。 (来源:TI)

TPSM8286xA 系列还可提供评估板,即 TPSM8286xA EVM。

随着英特尔 Enpirion 最近宣布的产品 EOL,他们将在 2022 年 3 月之后不再接受任何 Enpirion 器件的订单,因此 TI TPSM8282x 和 TPSM8286xA 负载点降压转换器是理想的替代器件。(Mouser 登陆页面?)

在负载点布设高效、热优化的 DC/DC 转换

要从当今高集成度处理器、FPGA 和 ASIC 中获得可靠的性能,需要采用详尽的方法来构建供电架构。使用 TPSM8282x、TPSM8282xA 和 TPSM8286xA 等扁平型、紧凑和高效DC/DC 转换器可提供最佳解决方案。


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