作者：Art Pini

大數(shù)據(jù)服務器以及像機器學習、人工智能 （AI）、5G 手機、物聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)計算這樣的應用，通常需要強大的 ASIC、FPGA、GPU 和CPU，而后者又需要低電壓、大電流，并在緊湊封裝內(nèi)實現(xiàn)高功率密度。為了確保整個系統(tǒng)的電源完整性，目前多采用分布式電源管理系統(tǒng)，將 DC/DC 電源直接引入負載點（POL），即高性能處理器。因此在一塊板子上可以有很多這樣的 DC/DC電源轉換器，所以設計者面臨的問題是如何使這些器件盡可能小，以節(jié)省板空間。同時，它們需要滿足性能、延遲、散熱、效率和可靠性要求，同時還要簡化設計過程，降低成本。

針對這個問題矩陣的解決方案結合了高性能半導體和無源元件，要采用先進的封裝技術，以實現(xiàn)更高水平的系統(tǒng)集成。事實證明，與目前其他可用的技術相比，這可以實現(xiàn)更小的尺寸，更低的外形，同時增強了熱管理。同時，這種綜合方法可以控制設計導入成本，包括庫存管理和開發(fā)時間。

本文討論了分布式電源網(wǎng)絡的必要性和 POL 電源設備的作用。然后，介紹了 TDK Corporation 的一類 POL DC/DC轉換器，該類轉換器使用了先進的封裝技術來實現(xiàn)所需的性能特征。文章還討論了其突出屬性，并展示了設計者如何部署它們以成功滿足其 POL 功率輸送的要求。

為什么要用 POL DC/DC 轉換器電源

計算機、服務器和其他數(shù)字設備越來越多地使用 FPGA、ASIC 和其他先進的 IC器件，而這些器件需要系統(tǒng)電源無法提供的多電源電壓。此外，它們還需要這些電壓以正確的順序排列，并有最小的延遲。系統(tǒng)電源一般提供一些固定的電壓，如 1、3.3 和5 伏。典型的 FPGA 需要的電壓范圍是 1.2 到 2.5 伏（圖 1）。

至少，F(xiàn)PGA 需要為其內(nèi)核和 I/O 部分單獨供電。例中的 FPGA 內(nèi)核運行電壓為 1.2 伏，I/O 功能運行電壓為 2.5伏。此外，其輔助電路還需要其他六個功率級別。很明顯，將七個電源放在離 FPGA很近的地方會給電路板布局設計帶來負擔。還有一個需要考慮的問題是散熱，這就要求電源必須是小而高效的。

專利技術實現(xiàn)了獨特的系統(tǒng)集成

為了滿足尺寸要求，TDK 為 POL DC/DC 轉換器開發(fā)了一種專有設計，放棄了并排的分立元件布局。相反，它采用 3D 集成方式，基于其半導體嵌入基底（SESUB） 系統(tǒng)級封裝 （SiP） 技術。將包含脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 控制器和 MOSFET 的高性能半導體嵌入到 250 微米 （μm）的電路板基底中，形成一個降壓轉換器。電路輸出電感和電容也被集成到 3D 布局中，形成一個超緊湊的熱增強型封裝（圖 2）。

一個獨特的 POL 電源解決方案

TDK 將 SESUB 作為其 μPOL（發(fā)音為 “micro-POL”）系列微型 DC/DC 電源模塊的基礎。該產(chǎn)品系列型號為FS140x-xxxx-xx，有 19 種選擇，輸出電壓水平有5、3.3、2.5、1.8、1.5、1.2、1.1、1.05、1、0.9、0.8、0.75、0.7 和 0.6 伏。它們支持 3 至 6 安培 （A）的連續(xù)負載電流，具體取決于型號，封裝尺寸為 3.3 x 3.3 x 1.5 毫米 （mm） （圖 3）。

由于其獨特的物理設計，這個DC/DC轉換器系列可以提供每平方毫米高達1瓦的功率密度， ，使這個小型封裝可以處理高達15瓦的功率。

標稱輸出電壓廠設偏差在 ±0.5% 以內(nèi)。包括一個 I2C 接口，允許對轉換器進行本地控制。輸出電壓可以在預設的額定電壓基礎之上以 ±5 毫伏 （mV）的步階進行調(diào)節(jié)。

FS1406 μPOL 轉換器內(nèi)部結構一覽

FS1406-1800-AL 1.8 伏 DC/DC 轉換器的功能框圖顯示，盡管其尺寸很小，但器件卻包含了很多復雜的電路功能（圖 4）。

FS1406-1800-AL 的標稱輸出為 1.8 伏，連續(xù)負載能力為 6A，其輸出電壓可通過 I2C 在 0.6 至 2.5伏范圍編程設定。它要求的輸入電壓為 4.5 至 16 伏，規(guī)定工作溫度范圍為 -40℃ 至 +125℃。

該 DC/DC 轉換器的核心是專有的 PWM 調(diào)制器，旨在提供快速的瞬態(tài)響應。PWM調(diào)制器的工作頻率與轉換器的輸出電壓成正比。它包括內(nèi)部穩(wěn)定性補償，以使其與各種輸出電容器類型相匹配，而不需要外部補償網(wǎng)絡，從而做到“即插即用”。調(diào)制器的 PWM輸出驅動 MOSFET 功率器件的門電路。如前所述，輸出濾波電感器包含在封裝內(nèi)，進一步減少了外部元件。

請注意，F(xiàn)S1406 包括一個內(nèi)部低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器，運行電壓約 5.2 伏，為內(nèi)部電路和 MOSFET 供電。

此外，設計人員應注意到內(nèi)置的保護功能，包括軟啟動保護、“電源良好”狀態(tài)線、過壓保護、預偏置啟動、帶自動恢復的熱關斷以及帶打嗝模式的熱補償過流保護。如果檢測到過流事件，打嗝模式會在一個固定的時間段內(nèi)關閉電源，并重復這一序列，直到故障消除。

I2C 接口用于設置輸出電壓。它還允許設置系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)，包括啟動和保護功能的參數(shù)。

典型應用

FS1406
系列是完全集成的，在工廠里被微調(diào)到其規(guī)定目標電壓，不需要輸出分壓器。該設計確實需要增加一個最小的輸出電容，以確保可接受的輸出紋波和負載調(diào)整率。它還需要一個輸入電容，以處理其輸入電流要求。圖5 顯示了所需的最小電路元件添加量。

輸入和輸出電容應具有較低的等效串聯(lián)電阻。建議使用多層陶瓷電容器。FS1406 規(guī)格書對輸入和輸出電容值的計算提供了詳細指導。

評估板幫助設計者快速上手

μPOL 轉換器的 1.8 伏版本的評估板是 EV1406-1800A，它提供了一個具有 1.8 伏輸出和 12 伏輸入源的 DC/DC轉換器設計。其輸出電流為 0 到 6 A，尺寸為 63 x 84 x 1.5 mm（圖 6）。

鑒于 μPOL 的尺寸和供電能力，我們可以輕松地將多個這樣的器件安裝到 FPGA 或 ASIC周圍。該評估板除了提供一個設計實例外，還有開放的通孔元件位置，供用戶試驗輸入和輸出電容值。它還有一個針座，用于選擇 FS1406-1800的內(nèi)部偏置電源或外部電壓源。另一個針座提供了到 I2C 接口的接入便利。

I2C 編程加密狗

作為一個設計輔助工具，TDK 提供了 TDK-MICRO-POL-DONGLE I2C 編程板，用于以 ±5 mV的步階改變輸出電壓。它還允許對系統(tǒng)保護參數(shù)進行編程。該加密狗與 TDK 提供的免費 GUI 軟件包配套使用，簡化了對轉換器進行調(diào)節(jié)。

結語

對于需要高可靠性和集成度 POL 配電同時又要將對電路板空間的影響降到最小的設計者來說，TDK mPOL 系列的 19 個 DC/DC轉換器為各種應用提供了合適的解決方案。該系列支持 14 個常見的輸出電壓水平，每個電壓水平都可以通過 I2C 端口以 ±5 mV 的步階進行調(diào)節(jié)。μPOL獲得專利獨特架構基于 SESUB，實現(xiàn)了高功率密度和最小的支持元件需要。