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用于通信系统的超薄大功率微型模块稳压器

时间:2016-08-11 作者:Tony Armstrong 阅读:
电信设备制造商一直在被迫提高其系统的数据吞吐量和性能,并给系统增加各种功能。同时,这些设备制造商还面临着降低系统总体功耗的压力。例如,一种典型的挑战是,通过重新调度工作流程,将作业转移到未得到充分利用的服务器上,以使其他服务器能够停机,以此降低总体功耗。为了满足这些要求,了解最终用户设备的功耗是必不可少的。而恰当设计的数字电源管理系统 (Digital Power Management System - DPSM) 可向用户提供功耗数据,以帮助用户做出明智的能源管理决策。

DPSM 的主要好处是降低设计成本,加速产品上市。凭借一种全面和具备简便易用的图形用户界面 (GUI) 的开发环境,可以高效率开发复杂的多轨系统。这类系统可通过 GUI 而不是焊接“白色导线”定位点来做出更改,因此还可简化在线测试 (ICT) 和电路板调试。另一种好处是,由于有实时遥测数据可用,所以可预测电源系统故障,采取预防性措施。也许最重要的是,具备数字管理功能的 DC/DC 转换器允许设计师开发“绿色”电源系统,以最低的负载点、电路板、机架甚至安装级能耗,满足目标性能 (计算速度、数据传输速率 ... 等等) 要求,从而降低基础设施成本以及产品整个寿命期的总体拥有成本。Ck5EETC-电子工程专辑

很多电信系统是通过 48V 背板供电的。这一电压通常会降压至更低的中间总线电压,典型值为 12V 至 3.3V,以给系统中一架一架的电路板供电。不过,这些电路板上的大多数子电路或 IC 都需要在数十毫安至数百安培电流时,在不到 1V 至 3.3V 的电压范围内运行。因此,需要用负载点 (POL) DC/DC 转换器将中间总线电压降至子电路或 IC 所要求的电压。这些电压轨对排序、电压准确度、裕度和监察有严格的要求。Ck5EETC-电子工程专辑

在一个电信系统中,可能有多达 50 个 POL 电压轨,系统设计师需要用一种简便的方法管理这些电压轨,管理其输出电压、排序和最大可允许电流。某些处理器要求其 I/O 电压在内核电压上升之前上升,而某些 DSP 则要求其内核电压先于 I/O 电压上升。断电排序也是必要的。设计师需要简便的更改方法,以优化系统性能,存储每个 DC/DC 转换器的具体配置数据,以简化设计工作。Ck5EETC-电子工程专辑

此外,系统设计师还需要相对简便易用的电源转换器,以满足电路板上其他各种电源轨的要求,但是可用来放置这些转换器的电路板面积却在不断减少。部分原因是,无法将这类转换器安装到电路板背面,因为在机架式系统中,多个电路板是一个挨一个放置的,所以设计师受到组件最大高度为 2mm 的限制。设计师真正喜欢使用的是外形尺寸很小的完整电源,且安装到印刷电路板 (PCB) 后,其高度不超过 2mm。Ck5EETC-电子工程专辑

解决方案

凌力尔特的微型模块 (µModule) 产品是完整的系统级封装 (SiP) 解决方案,可最大限度节省设计时间,解决通信系统中常见的电路板空间和密度等问题。这些 µModule 产品是完整的电源管理解决方案,在紧凑的表面贴装 BGA 或 LGA 封装中,集成了 DC/DC 控制器、功率晶体管、输入和输出电容器、补偿组件以及电感器。用凌力尔特的 µModule 产品设计系统,可显著节省完成设计流程所需的时间,视设计复杂性的不同而不同,最多可节省 50% 的时间。凌力尔特的 µModule 系列将组件选择、优化、布局等设计负担从设计师转移到了器件上,从而缩短了总体设计时间和系统排故时间,最终可加速产品上市。Ck5EETC-电子工程专辑

凌力尔特的 µModule 解决方案在紧凑和类似 IC 的封装中,集成了分立式电源、信号链路以及隔离式设计中常见的关键组件。µModule 产品系列经过凌力尔特严格的测试和高可靠性验证,简化了电源转换设计的设计过程和布局。Ck5EETC-电子工程专辑

µModule 产品系列适用于多种应用,包括负载点稳压器、电池充电器、LED 驱动器、电源系统管理 (采用数字技术管理的 PMBus 电源)、隔离式转换器。凌力尔特的 µModule 电源产品是高集成度解决方案,每一款器件都有 PCB Gerber 文件可用,这些器件解决了时间和空间受限的问题,同时提供高效率和可靠性,而且指定产品可用来构成符合 EN55022 Class B 标准要求的低 EMI 解决方案。Ck5EETC-电子工程专辑

系统复杂性提高和设计周期缩短导致大量消耗设计资源,因此关注点落在了系统关键知识产权的开发上。这意味着,在开发过程中,电源常常被放在一边,直到很晚才会考虑电源问题。由于时间所剩无几,而且专门的电源设计资源也许很有限,因此要设计出占板面积最小的高效率解决方案,同时还有可能要利用 PCB 背面以最大限度提高空间利用率,都会使设计师面临不小的压力。Ck5EETC-电子工程专辑

这正是 µModule 稳压器能够完美解决的问题,µModule 概念从内部看很复杂,从外部看很简单,能够提供开关稳压器那样的高效率和线性稳压器那样的设计简便性。设计开关稳压器时,精心设计、PCB 布局和组件选择是非常重要的,很多经验丰富的设计师在职业生涯早期,都闻到过那种独特的电路板烧焦的味道。在时间有限或电源设计经验有限时,现成的 µModule 稳压器有助于节省时间,减小项目失败的风险。Ck5EETC-电子工程专辑

凌力尔特最新的超薄 µModule 解决方案是 LTM4622。这是一款双通道 2.5A 或单通道、两相 5A 输出降压型电源稳压器,采用 6.25mm x 6.25mm x 1.8mm 超薄 LGA 封装。该器件的高度接近已焊好的 1206 外壳尺寸的电容器,可以贴装在电路板正面。这样的高度使该器件能够满足严格的高度限制,例如嵌入式计算系统中的 PCIe 和先进的 Mezzanine 板卡所要求的高度,如下图 1 所示。Ck5EETC-电子工程专辑

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图 1:LTM4622 可安装在 PCB 的背面Ck5EETC-电子工程专辑

凌力尔特的 µModule DC/DC 稳压器还可用来简便地提供大功率和 DPSM 功能。因为多个 µModule 稳压器可以并联,凭借精确的电流匹配 (相互之间的不匹配度标称值在 1% 以内) 提供更大的负载电流,所以出现热点的可能性降低了。此外,在并联的 µModule 稳压器中,只需有一个具备 DPSM 功能即可,因为这个 µModule 稳压器可以提供完整的数字接口,即使其余的 µModule 器件不具备 DPSM 功能也没有关系。图 2 显示了一个 LTM4677 (36A DPSM µModule 稳压器) 与 3 个 LTM4650 (50A µModule 稳压器) 并联的应用原理图,这是一款电流超过 180A 的 DPSM POL 解决方案。Ck5EETC-电子工程专辑

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图 2:1 个 LTM4677 DPSM µModule 和 3 个 LTM4650 µModule 稳压器并联,输入的标称值为 12V,输出为 186A、1V。Ck5EETC-电子工程专辑

SMBus INTERFACE WITH PMBus COMMAND SET:使用 PMBus 命令集的 SMBus 接口Ck5EETC-电子工程专辑

ON/OFF CONTROL, FAULT MANAGEMENT, POWER SEQUENCING:接通/断开控制、故障管理、电源排序Ck5EETC-电子工程专辑

PWM CLOCK SYNCH:PWM 时钟同步Ck5EETC-电子工程专辑

TIME BASE SYNCH:时基同步Ck5EETC-电子工程专辑

ADJUSTABLE:可调Ck5EETC-电子工程专辑

UP TO 100A – 130A:高达 100A 至 130ACk5EETC-电子工程专辑

LOAD:负载

结论

今天的通信系统如果采用具备 DPSM 功能和超薄封装的稳压器,电源设计师就能够以简便、强大的方法,为标称 1.0V 的内核电压提供大功率输出,例如低于 20nm 的最新 ASIC、GPU 和 FPGA 中常见的内核电压。凭借安装到电路板上以后高度不到 2mm 的超薄封装,LTM4622 允许使用电路板背面的空间,如果不是这样的超薄封装,就无法利用电路板的背面。这不仅节省了昂贵的 PCB 空间,还由于整体工作效率提高而降低了冷却要求。Ck5EETC-电子工程专辑

最后,在这类环境中使用 µModule 稳压器很有意义,因为 µModule 稳压器可以显著节省调试时间,允许极大地提高电路板利用率。这降低了基础设施成本以及产品整个寿命期的总体拥有成本。Ck5EETC-电子工程专辑

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