Силовая электроника №4'2006

Применение управляемых POL преобразователей напряжения для модернизации системы электропитания

Don Tuite Перевод: Анатолий Ващилов


Современные высокопроизводительные микропроцессоры типа FPGA и ASIC имеют высокую плотность упаковки транзисторов и тонкий слой оксида под затвором. Их объединяет низкое рабочее напряжение питания, причем ток потребления может резко изменяться от миллиампер до десятков ампер и обратно. Чтобы обеспечить питанием высокопроизводительное оборудование, например, серверы и телефонные станции, используются системы распределенного питания. Существует несколько таких схем. Самая распространенная в современных разработках схема — система питания с промежуточной шиной (Intermediate Bus Architecture — IBA), в которой может применяться до трех ступеней понижения напряжения (рис. 1).


В зависимости от применения, преобразователь напряжения, использующийся на третьей ступени, можно назвать модулем стабилизации напряжения (VRM), или преобразователем напряжения в точке приложения нагрузки (Point of Load — POL). В этой статье будем называть их POL преобразователями напряжения. Контроль должен быть, по крайней мере, тройной. Чем сложнее питаемые микросхемы, тем важнее мониторинг и контроль. Это относится и к синхронизации, и к последовательности подключения напряжения.

Рис. 1. Система питания с промежуточной шиной (intermediate bus architecture — IBA)
Рис. 1. Система питания с промежуточной шиной (intermediate bus architecture — IBA)

Последовательность включения напряжений питания

Современные микропроцессоры требуют определенной последовательности подключения напряжения питания, поскольку при включении они проходят дежурный (спящий) режим и режим работы. При включении и выключения электропитания происходит переключение между этими двумя режимами. Кроме последовательности подключения напряжений очень важен контроль скорости нарастания выходного напряжения. Это даже важнее, чем последовательность подключения напряжений. От последовательности включения напряжений питания зависит, как эти несколько напряжений, приложенных к микросхеме, взаимодействуют друг с другом и какими способами можно исключить возникновение опасных переходных процессов.

Исключение переходных процессов

На рис. 2 показаны сигналы напряжения питания ядра процессора и напряжения питания входов-выходов при неконтролируемом запуске (включении) Xilinx FPGA с использованием POL преобразователя напряжения с двумя выходами. Желтый луч — входное напряжение 5 В POL преобразователя напряжения; синие и фиолетовые лучи представляют питание устройства ввода-вывода 3,3 В и напряжения питания ядра процессора 1,8 В и зеленый луч — ток на выходе источника питания 3,3 В.

Рис. 2. Переходные процессы
Рис. 2. Переходные процессы

В запрограммированном FPGA данные о состоянии ключей и триггеров хранятся в оперативной памяти ячеек конфигурации. При включении FPGA, до того как произведено программирование ячеек оперативной памяти конфигурации, ключи и триггеры находятся в случайном состоянии. После того как произведено программирование ячеек оперативной памяти конфигурации, ключи и триггеры программно устанавливаются в нужное состояние. Это вызывает кратковременный бросок тока более 6 А длительностью приблизительно 1,5 мс на выходе 3,3 В, после чего ток резко падает почти до нуля.

В течение этого переходного процесса напряжения входов-выходов и напряжение на выходах триггеров не соответствуют напряжениям рабочего режима FPGA. Кроме того, из-за большого тока на выходе 1,8 В во время переходного процесса кратковременно падает напряжение +5 В на входе POL преобразователя напряжения.

Синхронизация

Если частоты и фазы нескольких POL преобразователей напряжения различны, они могут влиять друг на друга и создавать электромагнитные помехи на промежуточной шине. Синхронизация становится просто необходимой, когда используются мультифазные POL преобразователи напряжения (рис. 3). На рисунке левая осциллограмма показывает помеху на входе в системе с тремя POL преобразователями напряжения без синхронизации; нижняя осциллограмма показывает уменьшение помехи при сдвиге фаз коммутации второго и третьего POL преобразователей напряжения на 123,75° и 247,5° относительно первого.

Мониторинг

Мониторинг дает два преимущества: обнаружение неисправностей и анализ отказов.

В центре регистрации и обработки данных нужно знать, во-первых, о том, что плата вышла из строя и, во-вторых, куда послать техника для ее замены. Однако лучше иметь более подробную информацию. Лучше сразу заменить модуль, температура или выходное напряжение которого устойчиво повышаются, чем ждать, пока он выйдет из строя полностью и приведет к выходу из строя другие элементы схемы. Для анализа отказов предпочтительнее использовать контроль рабочих характеристик источников питания в течение долгого времени.

Простая коррекция

Чтобы осуществлять управление POL преобразователями, которые используются при разработке распределенных систем питания, можно использовать схемы с простой коррекцией напряжения (рис. 4) или более современные схемы, предназначенные для этой цели, которые используют дистанционное управление по шине I2C.

Рис. 4. Простая коррекция выходного напряжения
Рис. 4. Простая коррекция выходного напряжения

Простая коррекция — автоподстройка POL преобразователя напряжения, принятая в Point of Load Alliance (POLA), в который входят компании-производители Astec, Artesyn, Ericsson Power и Texas Instruments, осуществляется через вывод TRACK. Выходное напряжение POL преобразователя напряжения изменяется в зависимости от напряжения на этом выводе. Выводы TRACK нескольких преобразователей напряжения POL соединяются вместе и управляются общим напряжением через один MOSFET (Q1 на рис. 4).

Контроль последовательности включения и скорости нарастания выходного напряжения POL преобразователей напряжения

Аналоговые контроллеры управления питанием (рис. 5), предлагаемые многими производителями, позволяют осуществлять контроль последовательности включения и регулировать скорость нарастания выходного напряжения за счет дополнительных MOSFET транзисторов и времязадающих резисторов и конденсаторов.

Рис. 5. Управление питанием с помощью аналогового контроллера
Рис. 5. Управление питанием с помощью аналогового контроллера

Типичные аналоговые контроллеры могут контролировать до четырех POL преобразователей напряжения. Они могут обеспечить минимальную программируемость и управление посредством JTAG-интерфейса или шины I2C. Поставщики предлагают графические интерфейсы на основе персонального компьютера, которые упрощают управление параметрами.

ИС управления питанием может контролировать напряжения на выходе преобразователя и на нагрузке (в данном случае POL преобразователя напряжения с двумя выходами, используемого для питания FPGA), управлять порядком их включения-выключения через последовательно включенные MOSFET транзисторы. Время задержки при включении задается простыми RC-цепочками.

Степень интеграции

Аналоговое управление электропитанием (рис. 6) эффективно до определенного уровня сложности системы. При аналоговом управлении электропитанием увеличение количества POL преобразователей напряжения (желтые блоки), приводит к резкому увеличению дискретных элементов (зеленые блоки) В системе, имеющей восемь выходных напряжений, которыми нужно управлять, используется более 200 дополнительных пассивных компонентов и дискретных полупроводниковых приборов, занимающих примерно 64,5 см2 площади печатной платы. Разработка такой платы распределенного питания может растянуться на месяцы. В системах, соответствующих уровню High End (см. таблицу), выгоднее применять цифровую технологию управления питанием.

Рис. 6. Аналоговое управление POL
Рис. 6. Аналоговое управление POL
Таблица. Характеристики систем питания
Таблица. Характеристики систем питания

Цифровое управление

Эта технология позволяет построить интеллектуальную схему управления POL преобразователями напряжения, сделать их индивидуально адресуемыми (через контакт связи) и связать с кон-троллером при помощи интерфейса через цифровую шину (рис. 7). Контроллер, в свою очередь, сообщается с системой мониторинга через шину I2C. В этом случае в режиме реального времени можно управлять 32-мя POL преобразователями напряжения.

Рис. 7. Цифровое управление POL (Z-One)
Рис. 7. Цифровое управление POL (Z-One)

Параметры мониторинга:

  • Диапазон выходного напряжения.
  • Пороги отключения при повышении и понижении напряжения и тока, а также при повышении температуры.
  • Последовательность включения-выключения и скорость нарастания выходного напряжения.
  • Частота преобразования.
  • Высокий и низкий пределы срабатывания сигнала «Power Good».

Компенсация обратной связи.

Для систем со многими POL преобразователями напряжения на плате интеллектуальный (цифровой) способ управления POL позволяет уменьшить количество элементов, используемых для управления питанием, и площадь печатной платы, а также предоставляет более широкие возможности управления и мониторинга (рис. 7).

Графический интерфейс пользователя

Как и аналоговые контроллеры, цифровые контроллеры питания имеют управляемые с помощью графического интерфейса пользователя инструментальные средства разработки и отладки, которые имеют более широкие возможности настройки, чем аналоговые контроллеры (рис. 8).

Рис. 8. Окно графического интерфейса
Рис. 8. Окно графического интерфейса

Опасные переходные процессы, которые могут возникнуть в микросхеме, перед макетированием можно представить с помощью моделей, предоставляемых графическим интерфейсом пользователя.

Преимущества от применения системы Z-One

Основным преимуществом является 90%-ное уменьшение количества компонентов, проводников печатной платы и времени на разработку.

Z-One совершенствует и модернизирует управление питанием:

  • Уменьшает количество компонентов в системе, снижает стоимость, надежность и удельную мощность.
  • Конструирование и моделирование с помощью графического интерфейса значительно упрощает разработку системы питания.
  • Ведущие производители в области управления и преобразования питания предоставляют средства, позволяющие программировать выходные напряжения, последовательность включения и возможность подстройки характеристик выходного напряжения и пределов срабатывания защиты в процессе работы.

Цифровой контроллер питания Z-серии:

  • программирует преобразователи Z-POL и управляет ими;
  • контролирует промежуточную шину питания, обрабатывает сигналы и осуществляет защиту;
  • облегчает телеметрию рабочих характеристик Z-POL для дистанционного мониторинга и выявления неисправностей.

Z-POL Преобразователи обеспечивают:

  • программируемое выходное напряжение от 0,5 до 5,5 В постоянного тока при входном напряжении от 3,0 до 13,2 В постоянного тока;
  • плотность тока до 39 А на дюйм2;
  • мониторинг напряжения, тока и температуры в режиме реального времени.
  • Из вышеизложенного видно, что применение современной системы цифрового управления распределенным электропитанием сложных телекоммуникационных систем связи и промышленных систем автоматизации позволяет значительно сократить затраты на создание систем электропитания, снизить эксплуатационные расходы и одновременно повысить качество электропитания таких систем.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_04_54.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо