因應通訊設備製造商需求之高功率輸出與更小佔用電路空間的解決方案

作者: ADI電源產品行銷總監Tony Armstrong

介紹

許多通訊系統採用48伏特背板供電。這個電壓通常會降壓至較低的中間匯流排電壓,通常為12伏、5伏、或甚至更低,藉以為系統中各板卡供電。然而,在這些板卡上,大多數的分支電路(sub-circuits)或IC必須採用3.x伏至0.5伏的操作電壓,操作電流則從數十毫安培到數百安培。因此必須使用負載點(PoL)DC/DC轉換器來將這些較高的匯流排電壓降至分支電路或IC能運用的較低電壓。這種方法本身看似沒有很困難,但其在許多方面也面臨著嚴格的要求,包括定序、電壓精度、邊限微調(margining)、以及監測等方面,這些因素也都必須加以考量。

由於通訊設備中含有動輒數百條負載點電壓軌,因此系統工程師需要一個簡單的方法來管理這些電壓軌,包括其輸出電壓、定序、以及最高容許電流。現今許多深次微米IC的數位處理器要求在其核心電壓之前升高其I/O電壓,另一方面許多DSP則要求核心電壓在其I/O電壓之前進行升壓。此外,關閉電源的定序也不可或缺。為此,系統工程師需要一種簡易的變更方法,藉以優化系統效能,以及為每個DC/DC轉換器儲存特定組態,以便簡化設計操作。

此外,大多數通訊設備製造商除了著手提高其系統的資料吞吐量與效能之外,還設法加入更多功能與特色。在此同時,業者也面臨壓力必須降低系統整體功耗。舉例來說,常見的挑戰是重新排定操作流程,把作業移至使用率偏低的伺服器,設法關閉其他伺服器,以藉此降低整體耗電量。為因應這些要求,關鍵在於必須知道終端使用者設備的功耗。因此妥善設計數位電源管理系統(DPSM)即能提供使用者功耗資料,進而做出明智的能源管理決策。

DPSM的主要利益是降低設計成本以及加快產品上市時程。運用完備的開發環境,透過内附直覺化操作的圖形介面(GUI),即可輕鬆開發各種複雜的多軌系統。此外,這類的系統還能簡化電性測試in-circuit testing (ICT)以及機板除錯,直接透過GUI進行修改,而不是在電路板上以補焊接線(white wire)的方式進行修正。另一項好處,是其能預測電源系統故障以及進行預測性措施,而這一切都要歸功於具有即時遙測資料來提供協助。最關鍵的好處,可能是具有數位管理功能的DC/DC轉換器,讓設計者能開發各種 "綠能"電源系統,在負載點、機板、機架、甚至安裝系統層面以最低耗能達到目標效能(包括運算速度、資料傳輸率等),藉此降低基礎設施成本以及產品生命週期內的總體持有成本。追根究柢,資料中心佔最大比重的成本項目就是冷卻系統的耗電成本,而這些冷卻系統則負責讓資料中心內部的溫度維持在預設 "最佳"作業溫度以下。

此外,系統工程師仍需要透用一些相對簡單的功率轉換器來滿足機板上其他電源軌,但能用來置放它們的電路板空間則一直不斷地縮減中。這方面也導致無法將這些轉換器置於電路板的背面,因為2mm最高元件高度的限制,以致必須裝在多片電路板上,安排成並列機架的組態。業界真正想要的是微型化的完整電源供應器,採用的元件貼焊到印刷電路板(PCB)時其高度不會超過2mm。幸運的是,這樣的解決方案確實存在,而我們便將於本文詳加探討。

轉換器解決方案

Analog Devices的Power by Linear µModule® 穩壓器是完整系統晶片構裝(SiP)解決方案,不僅可將設計時間縮至最短,還能解決通訊系統常見的機板空間與電源密度等問題。這些µModule產品是完整的電源管理解決方案,內含整合式DC/DC控制器、功率電晶體、輸入與輸出電容、補償元件、以及電感等,全部均包含於微型表面黏著BGA或LGA封裝中。運用Power by Linear的µModules產品來進行設計,將使完成設計流程所需的時間大幅減少50%,而縮減幅度端視設計的複雜度而定。此系列µModule穩壓器能將元件選擇、最佳化、以及佈線等設計重擔轉移到元件,進而縮短整體設計與系統除錯時間,最終加快產品上市時程。

這些µModule解決方案整合許多分立式電源、訊號鏈、以及隔離式設計中常用的關鍵元件,裝入一個類似IC的纖巧封裝內。之後再經過嚴格的測試與高可度可靠的製程,使µModule產品系列能簡化各種電源管理與轉換方案的設計與佈線流程。此產品系列涵蓋廣泛的應用領域,其中包括負載點穩壓器、電池充電器、DPSM產品(PMBus數位管理電源供應器)、隔離式轉換器、電池充電與LED驅動器。針對每種元件提供隨附PCB Gerber電路圖檔的高度整合解決方案,使這些µModule電源穩壓器不僅能解決時間與空間的限制,本身就是一款高效率與可靠的方案。此外,ADI許多新產品能協助客戶開發低電磁干擾(EMI)的解決方案,符合EN55022 class B標準的規範,使系統設計者能獲得十足的信心,讓自身開發的終端系統能符合嚴格的雜訊性能標準,包括終端系統必須遵循的雜訊免疫力業界標準。

此外,隨著系統複雜度提高,所運用的設計資源也更廣泛,而縮短的設計週期,致使業者必須專注開發系統的關鍵智財。這通常意謂電源供應器會被擱在一旁,直到開發週期的後期階段才會展開設計。加上有限的時間,以及有限的專業電源設計資源,如此巨大的壓力催生出一款擁有最小底面積的高效率解決方案,透過PCB底部空間的善用,達到最大的空間使用率。

µModule穩壓器在這個關鍵領域能提供理想的解決方案。其概念是內部複雜,但外部簡單 – 結合切換穩壓器的效率以及線性穩壓器的設計簡易性。審慎設計、PCB佈線、以及元件的選擇,這些在設計切換器穩壓器都是相當重要的環結。許多有經驗的設計者在其職場生涯初期都有燒掉電路板的經歷,若是面臨時程短暫,或是電源供應器設計人才有限,現成的µModule穩壓器則不僅能節省時間與空間,還能減少設計程式所面臨的風險。

超薄µModule解決方案最新出爐的成員就是 LTM4622。這款雙2.5安培或單一雙相5安培輸出降壓(step-down)電源穩壓器,達到6.25mm x 6.25mm x 1.8mm 尺吋的超薄LGA封裝。高度接近下焊式1206電容,其超薄的高度讓它能貼焊在機板的正面(topside)。此外,薄型化規格使其能符合各種嚴苛的高度限制,例如PCIe,以及嵌入式運算系統採用的先進夾層卡(mezzanine cards),如下圖1所示。

圖. LTM4622(A) 能貼焊到PCB的背面

此外,LTM4622A是最近發表的產品。 LTM4622A 的衍生 "A"版本擁有更高的輸出電壓範圍,從1.5至12伏特,取代非A版本的0.6至5.5伏特。系統設計者能藉此得到更寬廣的輸出電壓,並支援需要較高電壓的終端系統。A版與非A版元件的輸入電壓範圍都是3.6至20伏特。Power by Linear的 µModule DC/DC穩壓器還可透過一個簡單的方式來提供高功率與DPSM功能。由於許多µModule穩壓器能以並聯方式組建出高負載電流與精準的電流匹配功能(額定準確度為1%),其能減輕各處熱點(hot spot)的電勢。此外,只需動用其中一款µModule問壓器就能將DPSM功能納入到產品中,即使其他並聯的µModule元件並沒有內建DPSM功能,只要有一個支援DPSM的µModule就足以提供完整的數位介面。

有了DPSM元件,系統設計者就能進行許多工作,其中包括:

  • 設定電壓、定義複雜的導通/關斷順序、定義包括過壓與低電壓極限值等預設失效條件、以及設定在數位通訊匯流排上的重要電源供應器參數,像是切換頻率、以及電流界限等
  • 透過同一個通訊匯流排,我們可以讀回各項重要的作業參數,像是輸入電壓與輸出電壓、輸入與輸出電流、輸入與輸出功率、內部與外部溫度、以及在我們產品中的耗用能源量測值。
  • 另外業者也可針對其設計執行極精準的封閉循環式邊限測試,以及極精準地微調電源電壓。
  • 這些元件本身就設計成能夠自主運行。一旦設定並貫入輸入電力,它們就會啟動電源供應; 在負載點極精準地穩壓電壓,並持續監控電壓與電流來執行使用者設定的失效管理機制,啟動非揮發性記憶體的失效記錄器,以在偵測到失效狀況時用來儲存電源系統的資訊。
  • lDPSM可以層疊(cascaded)方式組建出彼此同調(coherent)的大型電源供應器系統。其中運用了跨晶片協調匯流排,其運行速度達到全線速(wireline speed)。
  • 內建的非揮發性記憶體(NVM)支援元件組態儲存以及失效日誌記錄等功能
  • 這些元件內含I2C/PMBus通訊埠,並採用業界標準PMBus指令集來控制與管理電源系統。
  • 這些PSM 元件背後都有共用LTpowerPlay® GUI全力支援。LTpowerPlay是一款工程級圖形介面,在開發時就納入電源系統設計與除錯方面的需求,並融入遠端用戶支援的功能。

圖2顯示一個LTM4677 (36安培DPSM µModule穩壓器)的應用示意圖,其與三個 LTM4650s (50安培µModule穩壓器)並聯,組成一個180安培DPSM 負載點解決方案。

圖2. 結合一個LTM4677 DPSM µModule 與3個LTM4650 µModule 穩壓器,能從一個額定12伏特輸入,轉換成186安培/1伏特的輸出。

結論

在現今通訊設備中採用具有DPSM功能與超低晶片高度的功率轉換元件,能為電源供應器設計業者提供一個簡單且有力的途徑,藉此向核心電壓提供高功率輸出,最低並可支援至0.5伏特,在作業溫度範圍內最大直流輸出誤差範圍為正負0.5%,如此的規格很接近最新20奈米以下ASIC、繪圖處理器、以及FPGA等元件。若是具有晶片高度的限制,可採用超薄型µModule穩壓器,例如LTM4622(A),這款晶片裝到電路板時的高度不到2mm,因此原本沒用到的電路板的底側空間還能善加運用,如此不僅可省下昂貴的電路板空間,由於整體的操作效率提高,所需的冷卻資源也將隨之減少。

最後,µModule穩壓器非常適合運用於通訊設備,因為它們不僅能大幅縮短除錯時間,還能提高電路板空間的使用效率。如此不但降低基礎設施的成本,系統生命週期的總體持有成本也會隨之降低。對於設計與組裝等設備廠商而言,這也是一項雙贏的局面,因為企業一旦加以運用,就會將之安裝在自身的資料中心。


Author

Tony Armstrong

Tony Armstrong

Tony Armstrong is currently the Product Marketing Director for Analog Devices' Power by Linear product group. He is responsible for all aspects of the power conversion and management products from their introduction through obsolescence. Prior to joining ADI, Tony held various positions in marketing, sales and operations at Linear Technology, Siliconix Inc., Semtech Corp., Fairchild Semiconductors and Intel. He attained a BS (Honors) in Applied Mathematics from the University of Manchester, England.