Use os módulos CC/CC integrados abaixadores para conversão de energia eficiente, alta densidade e com baixa EMI

Conforme o nível de integração e proliferação de dispositivos eletrônicos aumentam, os projetistas ficam sob constante pressão para melhorar a eficiência e, ao mesmo tempo, abaixar o custo, tamanho e interferência eletromagnética (EMI). Embora as fontes de alimentação melhoraram em densidade de potência e eficiência, atualmente os projetistas também enfrentam o desafio de desenvolver soluções de potência de várias trilhas para arquiteturas de processamento heterogêneo, as quais podem incluir um misto de ASICs, DSPs, FPGAs e microcontroladores.

Os conversores CC/CC abaixadores são tradicionalmente usados para alimentar tais arquiteturas, mas com um crescimento do número de trilhas de potência, o uso tradicional de conversores CC/CC abaixadores discretos com um CI de controle e interno ou MOSFETs de potência externos — mais indutores e capacitores externos — pode ser complexo e consumir tempo. Em vez disso, os projetistas podem usar módulos conversores CC/CC abaixadores independentes com várias trilhas e sequenciamento programável, que controla melhor a EMI, gera menos calor e possui pegadas menores.

Este artigo revisará as necessidades do sistema de potência de projetos embarcados, discutirá várias abordagens e o que os projetistas precisam considerar, antes de introduzir o conceito de módulos CC/CC abaixadores independentes. Em seguida, usará um dispositivo de amostra da Monolithic Power Systems para revisar brevemente as considerações de projeto e layout, as quais os projetistas precisam ter em mente a fim de maximizar os benefícios de desempenho destes módulos.

Por que sistemas embarcados precisam de muitas trilhas de potência

Projetos de embarcados como estações de base 5G pretendem dar suporte aos requisitos do atual aumento no volume de dados de smartphones e dispositivos inteligentes conectados em aplicações como automação industrial e residencial, veículos autônomos, assistência médica e vestíveis inteligentes. Tais estações de base usam normalmente um fonte de entrada de 48 volts, que é abaixada por conversores CC/CC para 24 ou 12 volts, depois abaixada novamente para as várias subtrilhas de 3,3 volts a menos de 1 volt para alimentar ASICs, FPGAs, DSPs e outros dispositivos nos estágios de processamento da banda base. Geralmente, as trilhas de potência precisam de sequenciamento para partida e desligamento, além de adicionar complexidades ao sistema de potência para os projetistas.

No exemplo de estações de base 5G, a CPU tradicional não pode atender sozinha os requisitos de processamento. Contudo, há vantagens ao usar uma placa aceleradora com um FPGA para reconfiguração, flexibilidade, ciclo de desenvolvimento curto, computação altamente paralela e baixa latência do sistema. Mas o espaço disponível para a fonte de alimentação FPGA é reduzido, assim os requisitos de desempenho da trilha de potência são complicados (figura 1):

• Compensação da tensão de saída: o desvio na tensão de saída da trilha deve ser menor do que ±3%, com margem suficiente deixada no projeto. Ao otimizar a malha de controle para aumentar a largura de banda e garantir sua estabilidade, o capacitor de desacoplamento deve ser aplicado e projetado cuidadosamente.
• Partida monótona: a partida de todas as trilhas de tensão devem aumentar de forma monótona, e o projeto deve evitar a tensão de saída de retornar ao seu valor inicial.
• Ondulação da tensão de saída: na operação em estado estacionário, a ondulação da tensão de saída de todas as trilhas de tensão (exceto a trilha de tensão analógica) deve estar no máximo em 10 millivolts (mV).
• Temporização: os FPGAs devem atender os requisitos de temporização específica durante a partida e desligamento.

Figura 1: devido ao aumento dos requisitos de computação, o tamanho do processador nas placas aceleradoras vem crescendo, deixando pouco espaço para a fonte de alimentação. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

Os processadores exigem mais corrente e potência, conforme os requisitos de largura de banda para processamento de dados tornam-se mais necessários. Do mesmo modo, os requisitos da densidade de cálculo e velocidade de ponto flutuante para placas aceleradoras tornam-se mais difícil de serem atendidas pela indústria. O slot da placa aceleradora normalmente é PCIe padronizado, logo o tamanho da placa é fixa. Devido ao aumento dos requisitos de computação, o tamanho do processador vem crescendo, deixando pouco espaço para a fonte de alimentação.

Alternativas ao projeto de sistema de potência

O uso tradicional de conversores CC/CC abaixadores discretos com um CI de controle ou MOSFETs de potência externos, mais indutores e capacitores externos, é uma abordagem para alimentação de sistemas embarcados. Como discutido acima, é um processo complexo e consome tempo dos projetistas, uma vez que são necessárias soluções de potência de várias trilhas. Além das considerações de maximização de eficiência e minimização do tamanho da solução, os projetistas devem ser cuidadosos com o layout e colocação do componente de filtro para minimizar a EMI irradiada e conduzida, causada pelas correntes de chaveamento no conversor e circuitos indutores (figura 2).

Figura 2: os conversores CC/CC abaixadores discretos possuem várias fontes EMI que os projetistas devem levar em conta. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

Os conversores CC/CC normalmente geram EMI conduzidas via campos magnéticos do caminho da malha de corrente entre o nó de chaveamento do MOSFET de potência de saída ao terra, e o capacitor de entrada ao terra. Eles também geram EMI de campo elétrico irradiado dos nós de chaveamento do MOSFET à conexão do indutor, que possui um alto dV/dt uma vez que é está chaveando do nível alto da tensão de entrada ao terra continuamente, e dos campos magnéticos gerados dentro do indutor. Falhas de projeto resultam em mais tempo de testagem em laboratório de EMI e interações de vários projetos.

Uma solução de quatro trilhas para alimentar um ASIC ou FPGA por meio de conversores CC/CC abaixadores discretos pode ocupar 1220 milímetros quadrados (mm²) (figura 3). Isso pode ser reduzido a cerca de 350 mm² pelo uso de uma solução baseada em CI de gerenciamento de energia (PMIC). Como alternativa, os projetistas podem usar um módulo conversor CC/CC de quatro saídas para reduzir o tamanho da solução a apenas 121 mm², enquanto também simplifica o processo de design e acelera o tempo de comercialização. Avanços na tecnologia do processo semicondutor e construção de pacotes por meio das recentes gerações de módulos CC/CC obtém densidade de potência muito alta, alta eficiência e bom desempenho em EMI num fator de forma pequeno.

Figura 3: o uso de uma solução de módulo CC/CC integrado pode economizar até 90% do espaço da placa comparado com uma solução discreta. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

Novas técnicas de construção, como flip-chip no pacote e tecnologia lead frame de “mesh-connect” significa que o CI, o indutor e os componentes passivos podem ser montados diretamente sobre o bastidor de terminais, sem ligações de fios ou uma placa de circuito interna adicional (figura 4). Comparado aos estilos de construções mais antigas, que usam um substrato de placa de circuito interna ou fios de ligação, os comprimentos das linhas de conexão podem ser minimizados, e a conexão direta aos componentes passivos mantém a indutância baixa para minimizar EMI.

Figura 4: uma forma nova de construção utilizando o bastidor de terminais para interconexões possui uma série de vantagens: a EMI é controlada melhor, a dissipação térmica é aprimorada e o tamanho da pegada é reduzida. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

O uso de um formato de invólucro LGA (land grid array) para montagem em superfície diretamente à placa de circuito impresso oferece um perfil de menor EMI do que a alternativa de conversores no estilo de invólucro SIL (single-in-line) ou SIP (SIL package) com bastidores que podem irradiar EMI.

Módulos CC/CC de quatro saídas integrados e programáveis

Para atender as necessidades de várias trilhas e alta densidade de potência dos sistemas embarcados, os projetistas podem optar pelo MPM54304 da Monolithic Power Systems (figura 5). O MPM54304 é um módulo de gerenciamento de energia completo que integra quatro conversores CC/CC abaixadores de alta eficiência, indutores e uma interface lógica versátil. Ao operar com uma tensão de entrada de 4 a 16 volts, o MPM54304 pode suportar uma faixa de tensão de saída de 0,55 a 7 volts. As quatro trilhas de saída podem suportar correntes de até 3 amperes (A), 3 A, 2 A e 2 A. As duas trilhas de 3 A e as duas de 2 A podem ser colocadas em paralelo para fornecer 6 A e 4 A, respectivamente. Os projetistas devem observar que a corrente máxima de saída no modo paralelo é também limitada pela dissipação total de potência. Isso fornece a versatilidade para gerar várias configurações de saída (sujeitas às limitações de dissipação total de potência):

• 3 A, 3 A, 2 A, 2 A
• 3 A, 3 A, 4 A
• 6 A, 2 A, 2 A
• 6 A, 4 A

Figura 5: o MPM54304 é um módulo de gerenciamento de energia completo abaixador de quatro saídas de 4 a 16 volts de entrada. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

O MPM54304 também fornece um sequenciamento interno para partida e desligamento. As configurações da trilha e sequenciamento podem ser pré-programadas pelo fusível eletrônico programável de vários tempos (MTP) ou através do barramento I²C.

Este conversor CC/CC de controle da constante no tempo (COT) a frequência fixa fornece resposta rápida de transientes. Sua frequência de chaveamento padrão de 1,5 megahertz (MHz) reduz enormemente o tamanho do capacitor externo. O clock de chaveamento é bloqueado e defasado do buck 1 ao buck 4 durante a operação em modo de corrente permanente (CCM). A tensão de saída é ajustável através do barramento I²C ou pré-definida pelo fusível eletrônico MTP.

Os recursos de proteção completa incluem bloqueio de subtensão (UVLO), proteção contra sobrecorrente (OCP) e desligamento térmico. O MPM54304 requer um número mínimo de componentes externos e está disponível num invólucro LGA de economia de espaço (7 mm x 7 mm x 2 mm) (figura 6). O perfil baixo do LGA torna-o adequado para colocação no verso da placa ou sob um dissipador térmico.

Figura 6: o invólucro LGA do MPM54304 fornece uma solução compacta e perfil baixo com baixa EMI (fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

Considerações de projeto e layout

O MPM54304 tem uma pinagem simples ao longo da borda, tornando o projeto e layout da placa de circuito impresso mais fácil. Precisando apenas de cinco componentes externos, a solução completa é compacta e pequena. O invólucro LGA permite um plano de terra firme para cobrir a maior parte da área abaixo do módulo, isto ajuda a fechar as malhas de corrente de Foucault e reduzir ainda mais a EMI.

Este conversor abaixador possui uma corrente de entrada descontínua e requer um capacitor para alimentar corrente CA ao conversor, enquanto mantém a tensão de entrada CC. Os projetistas devem usar capacitores de baixa resistência equivalente em série (ESR) para um melhor desempenho. São recomendados capacitores cerâmicos com dielétricos X5R ou X7R, por causa de seus coeficientes pequenos de temperatura e baixa ESR. Para muitas aplicações, capacitores de 22 microfarad (µF) são suficientes.

O layout eficiente da placa de circuito impresso é crítico para operação estável do MPM54304. Uma placa de circuito impresso de quatro camadas é recomendada para obter melhor desempenho térmico (figura 7). Para melhores resultados, os projetistas devem seguir estas diretrizes:

• Mantenha a malha de energia tão pequena quanto possível
• Use um plano terra grande para conectar diretamente a PGND. Se a camada inferior for um plano terra, acrescente vias próximo a PGND.
• Assegure que os caminhos de alta corrente a GND e VIN possuem trilhas curtas, diretas e largas
• Coloque o capacitor cerâmico de entrada o mais próximo possível do dispositivo
• Mantenha o capacitor de entrada e IN tão curto e largo quanto possível
• Coloque o capacitor VCC o mais próximo possível dos pinos VCC e GND
• Conecte VIN, VOUT e GND a uma área grande de cobre para aprimorar o desempenho térmico e confiabilidade a longo prazo
• Separe as áreas de entrada GND de outras áreas GND na camada superior e conecte-as juntas nas camadas internas e inferiores através de várias vias
• Assegure de haver uma área GND integrada na camada interna ou inferior
• Use várias vias para conectar os planos de energia às camadas internas

Figura 7: é recomendável um layout de placa de circuito impresso de quatro camadas ao usar o módulo de potência de quatro saídas MPM54304. (Fonte da imagem: Monolithic Power Systems)

Conclusão

Conforme as arquiteturas de processamento envolvem aplicações que endereçam alta demanda de dados, os projetistas enfrentam o desafio de desenvolver soluções de potência de várias trilhas que possam suportar o aumento na potência de processamento e da eletrônica em fatores de forma que são estáticos ou reduzidos. Os conversores CC/CC são componentes críticos no projeto de soluções de potência para estes sistemas, mas podem ser complexos de implementar.

Como mostrado, os projetistas podem optar por módulos conversores CC/CC abaixadores independentes com várias trilhas de potência e sequenciamento programável, simplificando o processo de design e acelerando o tempo de comercialização. Além disso, as novas técnicas de construção que habilitam estes módulos independentes possuem uma série de vantagens de desempenho: a EMI é controlada melhor, a dissipação térmica é aprimorada e o tamanho da pegada é reduzida.

Leitura recomendada

1. Use módulos de potência programáveis para acelerar o projeto do regulador CC/CC