以最小的电路板空间占用实现向关键负载的高集成度有效供电
作者：Art Pini
大数据服务器以及像机器学习、人工智能 (AI)、5G 手机、物联网和企业计算这样的应用，通常需要强大的 ASIC、FPGA、GPU 和 CPU，而后者又需要低电压、大电流，并在紧凑封装内实现高功率密度。为了确保整个系统的电源完整性，目前多采用分布式电源管理系统，将 DC/DC 电源直接引入负载点 (POL)，即高性能处理器。因此在一块板子上可以有很多这样的 DC/DC 电源转换器，所以设计者面临的问题是如何使这些器件尽可能小，以节省板空间。同时，它们需要满足性能、延迟、散热、效率和可靠性要求，同时还要简化设计过程，降低成本。
针对这个问题矩阵的解决方案结合了高性能半导体和无源元件，要采用先进的封装技术，以实现更高水平的系统集成。事实证明，与目前其他可用的技术相比，这可以实现更小的尺寸，更低的外形，同时增强了热管理。同时，这种综合方法可以控制设计导入成本，包括库存管理和开发时间。
本文讨论了分布式电源网络的必要性和 POL 电源设备的作用。然后，介绍了 TDK Corporation 的一类 POL DC/DC 转换器，该类转换器使用了先进的封装技术来实现所需的性能特征。文章还讨论了其突出属性，并展示了设计者如何部署它们以成功满足其 POL 功率输送的要求。
为什么要用 POL DC/DC 转换器电源
计算机、服务器和其他数字设备越来越多地使用 FPGA、ASIC 和其他先进的 IC 器件，而这些器件需要系统电源无法提供的多电源电压。此外，它们还需要这些电压以正确的顺序排列，并有最小的延迟。系统电源一般提供一些固定的电压，如 1、3.3 和 5 伏。典型的 FPGA 需要的电压范围是 1.2 到 2.5 伏（图 1）。
图 1：典型的 FPGA 需要多个电压用于处理器内的特定功能。图中所示处理器使用八个专用电源输入，有三个不同的电压。（图片来源：Art Pini）
至少，FPGA 需要为其内核和 I/O 部分单独供电。例中的 FPGA 内核运行电压为 1.2 伏，I/O 功能运行电压为 2.5 伏。此外，其辅助电路还需要其他六个功率级别。很明显，将七个电源放在离 FPGA 很近的地方会给电路板布局设计带来负担。还有一个需要考虑的问题是散热，这就要求电源必须是小而高效的。
专利技术实现了独特的系统集成
为了满足尺寸要求，TDK 为 POL DC/DC 转换器开发了一种专有设计，放弃了并排的分立元件布局。相反，它采用 3D 集成方式，基于其半导体嵌入基底 (SESUB) 系统级封装 (SiP) 技术。将包含脉冲宽度调制 (PWM) 控制器和 MOSFET 的高性能半导体嵌入到 250 微米 (μm) 的电路板基底中，形成一个降压转换器。电路输出电感和电容也被集成到 3D 布局中，形成一个超紧凑的热增强型封装（图 2）。
图 2：专利的 SESUB 技术将一个先进的电源控制器 IC 和 MOSFET 集成到一个 250 μm 的基底中，与电路输出电感和电容一起构成一个高度集成的 DC/DC 转换器模块。（图片来源：TDK Corporation）
一个独特的 POL 电源解决方案
TDK 将 SESUB 作为其 μPOL（发音为 "micro-POL"）系列微型 DC/DC 电源模块的基础。该产品系列型号为 FS140x-xxxx-xx，有 19 种选择，输出电压水平有 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。它们支持 3 至 6 安培 (A) 的连续负载电流，具体取决于型号，封装尺寸为 3.3 x 3.3 x 1.5 毫米 (mm) （图 3）。
图 3：μPOL DC/DC 转换器尺寸只有 3.3 x 3.3 x 1.5 mm，却可以处理高达 15 瓦的功率。（图片来源：TDK Corporation）
由于其独特的物理设计，这个DC/DC转换器系列可以提供每平方毫米高达1瓦的功率密度， ，使这个小型封装可以处理高达15瓦的功率。
标称输出电压厂设偏差在 ±0.5% 以内。包括一个 I2C 接口，允许对转换器进行本地控制。输出电压可以在预设的额定电压基础之上以 ±5 毫伏 (mV) 的步阶进行调节。
FS1406 μPOL 转换器内部结构一览
FS1406-1800-AL 1.8 伏 DC/DC 转换器的功能框图显示，尽管其尺寸很小，但器件却包含了很多复杂的电路功能（图 4）。
图 4：FS1406-1800-AL DC/DC 转换器的功能框图展示了电路的复杂程度，包括内部 PWM、I2C 端口、控制逻辑和输出 MOSFET。（图片来源：TDK Corporation）
FS1406-1800-AL 的标称输出为 1.8 伏，连续负载能力为 6A，其输出电压可通过 I2C 在 0.6 至 2.5 伏范围编程设定。它要求的输入电压为 4.5 至 16 伏，规定工作温度范围为 -40℃ 至 +125℃。
该 DC/DC 转换器的核心是专有的 PWM 调制器，旨在提供快速的瞬态响应。PWM 调制器的工作频率与转换器的输出电压成正比。它包括内部稳定性补偿，以使其与各种输出电容器类型相匹配，而不需要外部补偿网络，从而做到“即插即用”。调制器的 PWM 输出驱动 MOSFET 功率器件的门电路。如前所述，输出滤波电感器包含在封装内，进一步减少了外部元件。
请注意，FS1406 包括一个内部低压差 (LDO) 稳压器，运行电压约 5.2 伏，为内部电路和 MOSFET 供电。
此外，设计人员应注意到内置的保护功能，包括软启动保护、“电源良好”状态线、过压保护、预偏置启动、带自动恢复的热关断以及带打嗝模式的热补偿过流保护。如果检测到过流事件，打嗝模式会在一个固定的时间段内关闭电源，并重复这一序列，直到故障消除。
I2C 接口用于设置输出电压。它还允许设置系统优化参数，包括启动和保护功能的参数。
典型应用
FS1406 系列是完全集成的，在工厂里被微调到其规定目标电压，不需要输出分压器。该设计确实需要增加一个最小的输出电容，以确保可接受的输出纹波和负载调整率。它还需要一个输入电容，以处理其输入电流要求。图 5 显示了所需的最小电路元件添加量。
图 5：在一个典型的应用中，FS1406 μPOL DC/DC 转换器系列至少只需要增加输入和输出电容。（图片来源：TDK Corporation）
输入和输出电容应具有较低的等效串联电阻。建议使用多层陶瓷电容器。FS1406 规格书对输入和输出电容值的计算提供了详细指导。
评估板帮助设计者快速上手
μPOL 转换器的 1.8 伏版本的评估板是 EV1406-1800A，它提供了一个具有 1.8 伏输出和 12 伏输入源的 DC/DC 转换器设计。其输出电流为 0 到 6 A，尺寸为 63 x 84 x 1.5 mm（图 6）。
图 6：EV1406-1800A 评估板的尺寸为 63 x 84 x 1.5 mm；μPOL DC/DC转换器以黄色突出显示，以吸引人们注意这个尺寸微小的器件。（图片来源：TDK Corporation）
鉴于 μPOL 的尺寸和供电能力，我们可以轻松地将多个这样的器件安装到 FPGA 或 ASIC 周围。该评估板除了提供一个设计实例外，还有开放的通孔元件位置，供用户试验输入和输出电容值。它还有一个针座，用于选择 FS1406-1800 的内部偏置电源或外部电压源。另一个针座提供了到 I2C 接口的接入便利。
I2C 编程加密狗
作为一个设计辅助工具，TDK 提供了 TDK-MICRO-POL-DONGLE I2C 编程板，用于以 ±5 mV 的步阶改变输出电压。它还允许对系统保护参数进行编程。该加密狗与 TDK 提供的免费 GUI 软件包配套使用，简化了对转换器进行调节。
结语
对于需要高可靠性和集成度 POL 配电同时又要将对电路板空间的影响降到最小的设计者来说，TDK mPOL 系列的 19 个 DC/DC 转换器为各种应用提供了合适的解决方案。该系列支持 14 个常见的输出电压水平，每个电压水平都可以通过 I2C 端口以 ±5 mV 的步阶进行调节。μPOL 获得专利独特架构基于 SESUB，实现了高功率密度和最小的支持元件需要。
