เชิงนามธรรม

เนื่องจากความต้องการพลังงานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่เพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูงและ FPGA โซลูชันการจัดการพลังงานจึงต้องพัฒนาเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นพร้อมความยืดหยุ่นในการออกแบบ บทความนี้สำรวจแนวทางการใช้ไอซีจัดการพลังงานแบบหลายช่องสัญญาณ (PMIC) เป็นแหล่งจ่ายไฟกระแสสูงแบบช่องสัญญาณเดียว โดยการต่อเอาต์พุตที่ควบคุมได้หลายตัวแบบขนาน นักออกแบบสามารถใช้ประโยชน์จากความจุของกระแสไฟฟ้าทั้งหมดในขณะที่ยังคงรักษาการควบคุมแรงดันไฟฟ้าและความสมดุลของความร้อนได้อย่างแม่นยำ เทคนิคนี้ไม่เพียงแต่ทำให้สถาปัตยกรรมพลังงานง่ายขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มการนำการออกแบบกลับมาใช้ใหม่ ลดพื้นที่บนแผงวงจร และปรับปรุงการกระจายความร้อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน เช่น โปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัล โปรเซสเซอร์ FPGA และไมโครคอนโทรลเลอร์

การแนะนำ

ในการออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ วงจรรวมควบคุมพลังงาน (PMIC) ได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากความยืดหยุ่นในการออกแบบที่นำมาสู่สถาปัตยกรรมพลังงานที่ซับซ้อน ในขณะที่โซลูชันพลังงานแบบดั้งเดิมมุ่งเน้นไปที่ประสิทธิภาพและการควบคุมแรงดันไฟฟ้าเป็นหลัก PMIC ก้าวไปอีกขั้นด้วยการรวมรางพลังงานหลายราง ตรรกะการจัดลำดับ การป้องกันข้อผิดพลาด และการส่งข้อมูลทางไกลเข้าไว้ในอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดเพียงชิ้นเดียว PMIC แบบหลายช่องสัญญาณมักได้รับการออกแบบมาเพื่อจัดการเอาต์พุตพลังงานหลายตัว โดยแต่ละช่องสัญญาณจะให้แรงดันไฟฟ้าที่ควบคุมแล้วแก่ส่วนต่างๆ ของระบบ อุปกรณ์เหล่านี้ยังสามารถกำหนดค่าในโหมดหลายเฟสได้โดยการรวมหลายช่องสัญญาณเพื่อจ่ายรางกระแสสูงเพียงรางเดียว ซึ่งทำหน้าที่แทนตัวควบคุมกระแสสูงแบบช่องสัญญาณเดียวได้อย่างมีประสิทธิภาพ วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการต่อขนานช่องสัญญาณเพื่อให้แน่ใจว่าช่องสัญญาณเหล่านั้นแบ่งโหลดอย่างเท่าเทียมกัน ป้องกันไม่ให้ช่องสัญญาณใดช่องหนึ่งโอเวอร์โหลด ความยืดหยุ่นนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในแอปพลิเคชันที่ต้องการการจ่ายกระแสสูงในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ ซึ่ง PMIC เหล่านี้มักใช้ในอุปกรณ์ที่ซับซ้อน เช่น ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล โปรเซสเซอร์ FPGA และไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งระบบย่อยหลายระบบต้องการระดับพลังงานที่แตกต่างกัน

เพื่อตอบสนองความต้องการกระแสไฟฟ้าสูงในแอปพลิเคชันต่างๆLT7200Sจึงมาในแพ็คเกจ LQFN ขนาดเล็ก 5 มม. × 6 มม. จำนวน 48 ขา และADP5055  และADP5056มาในแพ็คเกจ LGA ขนาด 5.00 มม. × 5.50 มม. โดยทั้งหมดมีคุณสมบัติในการต่อขนานเพื่อให้ได้กระแสไฟฟ้าสูง

การใช้งานทั่วไป

เมื่อความเร็วในการรับส่งข้อมูลเพิ่มขึ้นและปริมาณงานเพิ่มขึ้น FPGA และ SoC ก็ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความต้องการด้านความเร็วและปริมาณที่เพิ่มขึ้น แหล่งจ่ายไฟก็ต้องพัฒนาเช่นกัน โดยต้องจ่ายกระแสได้สูงขึ้น ในขณะเดียวกันก็ต้องมีความหนาแน่นของพลังงานมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ความเรียบง่ายและความน่าเชื่อถือยังคงมีความสำคัญเช่นเดิม สำหรับระบบที่ต้องการกระแสมากกว่า 15 A สามารถต่อขนานตัวควบคุม LT7200S หลายตัวและใช้งานแบบกลับเฟสเพื่อให้มั่นใจได้ว่าการจ่ายพลังงานมีประสิทธิภาพและเสถียร รูปที่ 1 และ 2 แสดงแผนผังการใช้งานทั่วไปของ LT7200S ซึ่งรองรับการทำงานแบบสองเฟสและสี่เฟส โดยการต่อขนานจะช่วยให้สามารถจ่ายกระแสเอาต์พุตที่สูงขึ้นไปยังโหลดได้ อุปกรณ์นี้มีสถาปัตยกรรมแบบสี่เฟสที่ช่วยให้สามารถต่อขนานช่องควบคุมแบบซิงโครนัสบัคภายในทั้งสี่ช่องได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ละช่องสามารถจ่ายหรือรับกระแสได้ ±5 A เมื่อต่อขนานสี่เฟส พวกมันสามารถจ่ายกระแสรวมกันได้สูงสุดถึง ±20 A ไปยังเอาต์พุตทั่วไป ซึ่งทำได้โดยการควบคุมโหมดกระแสที่แม่นยำ ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าการแบ่งกระแสที่แม่นยำในทุกช่องสัญญาณ ส่งเสริมความสมดุลทางความร้อนและความน่าเชื่อถือของระบบ

อุปกรณ์นี้รองรับการสลับเฟสผ่านขา PHMODE ทำให้แต่ละช่องสัญญาณทำงานโดยมีเฟสตรงข้ามกับช่องสัญญาณอื่น ๆ ซึ่งช่วยลดสัญญาณรบกวนทั้งขาเข้าและขาออกได้อย่างมาก นอกจากนี้ ขา MODE/SYNC ยังช่วยให้สามารถซิงโครไนซ์กับสัญญาณนาฬิกาภายนอก ทำให้สามารถสลับการทำงานได้อย่างประสานงาน และลดสัญญาณรบกวนในแอปพลิเคชันที่ต้องการความแม่นยำสูง

ความถี่ในการทำงานสามารถตั้งโปรแกรมได้ตั้งแต่ 400 kHz ถึง 3 MHz โดยใช้ตัวต้านทานภายนอก หรือซิงโครไนซ์จากภายนอกสำหรับการใช้งานที่ไวต่อสัญญาณรบกวนจากการสวิตช์ สถาปัตยกรรมแบบกระแสคงที่ ความถี่คงที่ ที่สามารถล็อกเฟสได้ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานความถี่สูง การลดแรงดันไฟฟ้าสูง ในขณะที่ต้องการการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

LT7200S มาพร้อมกับเทคโนโลยี Silent Switcher ^® 2 ซึ่งได้รับการออกแบบและบรรจุภัณฑ์ด้วยนวัตกรรมใหม่ เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงพร้อมทั้งลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) แนวทางที่เป็นเอกลักษณ์นี้ทำให้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของเลย์เอาต์ PCB น้อยลง ส่งผลให้การออกแบบง่ายขึ้นและประสิทธิภาพดีขึ้น

กราฟแสดงประสิทธิภาพของ LT7200S

รูปที่ 3 แสดงประสิทธิภาพของโซลูชัน LT7200S แบบ 4 เฟส การกำหนดค่าแบบ 4 เฟสคล้ายกับในรูปที่ 1 โดยมีแรงดัน 12 V ถึง 1.2 V ที่ความถี่สวิตช์ 1 MHz สามารถจ่ายกระแสโหลดต่อเนื่องได้สูงสุด 20 A ขา PHMODE ต่อกับ GND ส่งผลให้เฟสของแต่ละช่องสัญญาณเปลี่ยนไป 90° การทำงานแบบสลับเฟสนี้ช่วยลดกระแสริปเปิลขาเข้า กระจายความร้อนอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งบอร์ด ลดความต้องการตัวเก็บประจุขาเข้าและขาออก ลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และปรับปรุงเสถียรภาพโดยรวมของระบบ เพื่อให้มั่นใจได้ว่ามีการแบ่งกระแสที่ดีขึ้นในระหว่างสภาวะคงที่และการเริ่มต้นทำงาน ขา ITH, FB และ TRACK/SS จึงต่อเข้าด้วยกัน

อุปกรณ์นี้มีประสิทธิภาพสูงสุด 88% ที่แรงดันอินพุต 12 V และรักษาประสิทธิภาพไว้ที่ 86% ที่กระแสโหลดเต็ม 20 A รูปที่ 4 แสดงภาพความร้อนของ LT7200S ที่ทำงานที่ 12 V ถึง 1.2 V/20 A ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการกระจายกระแสที่ดีในระหว่างการทำงานแบบ 4 เฟส

ในทำนองเดียวกัน ADP5055 และ ADP5056 รวมวงจรควบคุมแรงดันไฟกระชากประสิทธิภาพสูงสามตัวไว้ในแพ็คเกจ LGA 43 ขั้ว ซึ่งตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพและพื้นที่บนแผงวงจรที่เข้มงวด

อุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงถึง 18 V ได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าล่วงหน้า ช่องสัญญาณทั้งหมดรวมเอา MOSFET กำลังสูงทั้งด้านแรงดันสูงและด้านแรงดันต่ำเข้าไว้ด้วยกันเพื่อให้ได้โซลูชันที่มีประสิทธิภาพสูงสุด ช่องสัญญาณที่ 1 และช่องสัญญาณที่ 2 ให้กระแสเอาต์พุตที่ตั้งโปรแกรมได้ 3.5 A หรือ 7 A หรือให้เอาต์พุตเดี่ยวที่มีกระแสสูงสุด 14 A ในการทำงานแบบขนาน ช่องสัญญาณที่ 3 ให้กระแสเอาต์พุตที่ตั้งโปรแกรมได้ 1.5 A หรือ 3 A

ADP5055 ผสานรวมตัวแปลงสัญญาณดิจิทัลเป็นอนาล็อก (DAC) ความแม่นยำสูง 8 บิต เพื่อให้สามารถปรับขนาดแรงดันเอาต์พุตแบบไดนามิก (DVS) ผ่านอินเทอร์เฟซ 2 สายที่เข้ากันได้กับ PMBus® ^อินเทอร์เฟซ PMBus ให้การกำหนดค่าที่ยืดหยุ่นอื่นๆ เช่น การควบคุมลำดับการเริ่มต้นและการปิดระบบ การเลือกโหมดการปรับความกว้างพัลส์แบบบังคับ (FPWM) หรือโหมดประหยัดพลังงาน (PSM) สวิตช์คายประจุเอาต์พุต และสัญญาณแสดงสถานะพลังงานที่ดี อุปกรณ์เหล่านี้มีช่วงอุณหภูมิรอยต่อตั้งแต่ –40°C ถึง +150°C

บทสรุป

ไมโครคอนโทรลเลอร์ PMIC กระแสสูง เช่น ADP5056, ADP5055 และ LT7200S เหมาะสำหรับงานที่ต้องการการจัดการพลังงานที่มีประสิทธิภาพ ยืดหยุ่น และเชื่อถือได้ โดยมีประสิทธิภาพสูง มีความยืดหยุ่น และสามารถทำงานร่วมกับระบบต่างๆ ได้ดี ทำให้เหมาะสำหรับระบบที่ซับซ้อน เช่น โทรคมนาคม ศูนย์ข้อมูล และระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม คุณสมบัติการเชื่อมต่อแบบขนานช่วยให้หลายอุปกรณ์ทำงานร่วมกันได้ เพิ่มความสามารถในการรับกระแส และเพิ่มความน่าเชื่อถือ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับลูกค้าที่ต้องการโซลูชันด้านพลังงานที่ปรับขนาดได้และแข็งแกร่ง