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Jul 17, 2023

Vereinfachen Sie Stromversorgungsdesigns mit vielseitigem Gleichstrom

Systemleistungsarchitekturen können sehr komplex sein, da Halbleitergeräte oder Subsysteme mit unterschiedlichen Spannungen (1,8 V, 3,3 V oder 5 V) betrieben werden und der Strombedarf zwischen vielen Ampere und mehr liegt

Systemleistungsarchitekturen können sehr komplex sein, da Halbleitergeräte oder Subsysteme mit unterschiedlichen Spannungen (1,8 V, 3,3 V oder 5 V) betrieben werden und der Strombedarf zwischen vielen Ampere und Mikroampere liegt. Ein immer beliebterer Ansatz zur Bewältigung dieser Herausforderung ist der Einsatz einer Point-of-Load-(POL)-Stromversorgungssystemarchitektur, die den Aufbau eines einzigen Stromversorgungsbusses mit typischerweise 12 V ermöglicht, an dem die Spannung dann lokal mithilfe von POL-Wandlern auf das richtige Niveau heruntergestuft wird für jeden Subsystemschaltkreis oder IC.

Vereinfachen Sie Stromversorgungsdesigns mit vielseitigen DC/DC-Wandlern von TDK, die eine unübertroffene Leistungsdichte und einfaches Design bieten

Systemleistungsarchitekturen können sehr komplex sein, da Halbleitergeräte oder Subsysteme mit unterschiedlichen Spannungen (1,8 V, 3,3 V oder 5 V) betrieben werden und der Strombedarf zwischen vielen Ampere und Mikroampere liegt.

Ein immer beliebterer Ansatz zur Bewältigung dieser Herausforderung ist der Einsatz einer Point-of-Load-(POL)-Stromversorgungssystemarchitektur, die den Aufbau eines einzigen Stromversorgungsbusses mit typischerweise 12 V ermöglicht, an dem die Spannung dann lokal mithilfe von POL-Wandlern auf den richtigen Wert heruntergestuft wird für jeden Subsystemschaltkreis oder IC.

Dieser Ansatz hat eine Reihe von Vorteilen: Er ermöglicht eine Vereinfachung der Hauptstromversorgung des Systems, indem die Anzahl der Ausgangsspannungen, die an diesem Punkt geliefert werden müssen, reduziert wird. Da die Spannung lokal am Lastpunkt, oft in der Nähe des Halbleiters oder Subsystems, herabgesetzt wird, kommt es zu Spannungsabfällen, EMI-Schaltkreisrauschen, parasitären Kapazitäten und Induktivitäten, die ein häufiges Problem im Zusammenhang mit langen Leiterplattenleitungen von der Hauptstromversorgung des Systems sein können zur Komponente werden ebenfalls reduziert.

In der Ausgabe dieses Monats stellt David Pearson, technischer Direktor bei Anglia, eine Reihe von POL-DC/DC-Wandlern von TDK vor, die eine der kompaktesten Lösungen mit der höchsten Leistungsdichte der Branche für anspruchsvolle Energieanwendungen bieten. Diese Gerätefamilie bietet dem Systementwickler eine effiziente und kostengünstige Lösung für den Entwurf einer Architektur, die allen besonderen Leistungsanforderungen des Systems gerecht wird.

µPOLTM DC/DC-Wandler von TDK

Point-of-Load-DC/DC-Wandler sind eine spezielle Art der Schaltnetzteiltechnologie, die aufgrund ihrer unglaublichen Effizienz, Reaktionsgeschwindigkeit und kompakten Größe schnell an Popularität gewonnen hat. POL-DC/DC-Wandler integrieren einen Feldeffekt-Leistungstransistor (MOSFET) zusammen mit anderen erforderlichen Komponenten in einem einzigen Gerät. Sie zeichnen sich häufig durch eine schnelle Reaktionszeit auf Änderungen im Systemlastbedarf aus, sodass die versorgten Komponenten oder Subsysteme mit Strom versorgt werden können. schnell und effizient weiter.

Die µPOL™ DC/DC-Wandler der FS-Serie von TDK läuten eine neue Ära der Energiemanagementlösungen mit erhöhter Leistung, größerer Zuverlässigkeit, kleinster verfügbarer Größe, Benutzerfreundlichkeit und vereinfachter Integration ein. Die DC/DC-Wandler der FS-Serie sind hochintegrierte Point-of-Load-Wandler, die für die Stromversorgung von CPUs, MCUs, ASICs, FPGAs, DSPs und anderen fortschrittlichen digitalen Logikgeräten entwickelt wurden und hohe Leistung, schnelles Lasttransientenverhalten, hochpräzise Spannungsregelung usw. bieten extrem kompakte Stellfläche, die diese Geräte erfordern. TDK hat die POL-DC/DC-Wandler der FS-Serie entwickelt, um den anspruchsvollen Anforderungen einer Vielzahl moderner Anwendungen wie Big-Data-Verarbeitung, maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz (KI), 5G-Zellen, IoT, Enterprise Computing und vielen anderen gerecht zu werden.

Bei den POL-Wandlern der FS-Serie handelt es sich um Leistungsmodule mit hoher Stromdichte, die über einen im Chip eingebetteten Leistungs-IC in einem thermisch verbesserten, in ein Substrat eingebetteten Halbleitergehäuse verfügen. Diese patentierte Verpackungslösung verwendet keine herkömmlichen internen Drahtverbindungen und verbessert die Zuverlässigkeit in rauen Anwendungen, in denen Stöße und Stöße auftreten Da es zu Vibrationen kommen kann, sind die Geräte für 500 m/s² (51 G) für Stöße und 10 G mehrachsig für Vibrationen geeignet. Das fortschrittliche eingebettete Substratpaket ermöglicht ein stark vereinfachtes und effizientes Wärmemanagement und die Geräte verfügen über einen erweiterten industriellen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C.

Die Geräte fungieren als nicht isolierte Abwärtswandler (Abwärtswandler) und verfügen über einen weiten Eingangsspannungsbereich und konfigurierbare Ausgangsspannungen, die nur minimale externe Komponenten erfordern, was zu einer deutlichen Reduzierung der Komponenten- und Platzierungskosten beiträgt. Darüber hinaus wird die Stabilität der Wandler intern gewährleistet, so dass auch keine externen Kompensationskomponenten erforderlich sind.

Die Konverter der FS-Serie sind skalierbar und hochgradig konfigurierbar mit mehrfach programmierbarem Speicher, was große Flexibilität bietet. Anstatt nebeneinander einen diskreten integrierten Schaltkreis (IC) und eine diskrete Induktivität (L) zu verwenden, integrieren die µPOL™ DC/DC-Wandler der FS-Serie einen Pulsweitenmodulations-Controller (PWM), MOSFETs sowie Induktivität und Kondensatoren in einem einzigen Gerät Modul (Abb. 1), was zu einem äußerst präzisen Regler führt, der in einer kompakten Konfiguration geliefert wird und eine Lösung mit hoher Dichte für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot und Anwendungen bietet, die eine Stromquelle mit niedrigem Profil erfordern.

Abbildung 1 – Hochintegriertes Modul

Die μPOL™ DC/DC-Wandler von TDK sind derzeit in vier Varianten mit Dauerausgangsströmen von 3, 4, 6 und 12 A erhältlich. Die Wandler akzeptieren Eingangsspannungen bis zu 16 V und verfügen über voreingestellte Ausgangsspannungen von 2,5 V, 3,3 V. 5,0 V oder einstellbare Ausgänge von 0,6 V bis 2,5 V, je nach gewähltem Modell. Die Nennleistung beträgt 15 W für die 3- bis 6-A-Modelle und 25 W für das 12-A-Modell. Die 3-, 4- und 6-A-Geräte verfügen über eine integrierte I2C-Schnittstelle, während das 12-A-Gerät über eine PMBus-Programmierschnittstelle verfügt. Beide Schnittstellen ermöglichen Entwicklern die Konfiguration des Geräts für eine Vielzahl von Anwendungen. Die Geräte der FS-Serie verfügen außerdem über mehrere integrierte Schutzfunktionen, darunter Vorspannungsstart, Sanftanlaufschutz, Überspannungsschutz, thermisch kompensierter Überstromschutz mit Hiccup-Modus und thermische Abschaltung mit automatischer Wiederherstellung. Abb.2.

Abbildung 2 – Funktionsblockdiagramm – FS-Versionen der Serien 3, 4 und 6A

Die Wandler der FS-Serie sind äußerst kompakt und messen nur 3,3 x 3,3 x 1,5 mm für 3-, 4- und 6-A-Ausgänge und 5,8 mm x 4,9 mm x 1,6 mm für das 12-A-Ausgangsmodell. Beide Gehäuse sind im LGA-Stil mit 17 bzw. 22 Pins. Die Konverter wurden so konzipiert, dass die Anzahl zusätzlicher externer Komponenten minimiert wird, sodass sie die höchstmögliche Leistung und Zuverlässigkeit beibehalten und gleichzeitig ein vereinfachtes Design für eine einfache Integration bieten. Die DC/DC-Wandler der FS-Serie liefern eine Lösung mit hoher Leistungsdichte von 1 Watt pro mm3 und bieten gleichzeitig eine Reduzierung der Lösungsgröße um 50 % im Vergleich zu anderen ähnlichen Produkten, die derzeit in ihrer Klasse erhältlich sind. Aufgrund des verwendeten ultradünnen Gehäuses ist es möglich, die μPOL-Module auf der Rückseite einer Leiterplatte zu montieren, wodurch die Oberseite zusätzlich für andere Komponenten frei wird. Dies hilft Designern, die Kosten für Systemlösungen zu minimieren, die Zuverlässigkeit zu verbessern, die Platinengröße und die Montagekosten sowie die Stücklisten- und PCB-Kosten zu reduzieren.

Die μPOL™-Technologie von TDK ermöglicht die Platzierung des DC-DC-Wandlers sehr nahe an komplexen Chipsätzen wie ASICs, FPGAs und anderen ähnlichen Geräten, indem der Platzierungsabstand zwischen dem DC-DC-Wandler und dem Chipsatz, den sie mit Strom versorgen, der Widerstand und die Reduzierung des Abstands verringert werden Induktivitätskomponenten können minimiert werden, was eine schnelle Reaktion und genaue Regelung auch bei dynamischen Lastströmen ermöglicht.

TDK hat große Anstrengungen unternommen, um die Wandler der FS-Serie benutzerfreundlich zu gestalten. Diese hochintegrierten Module bedeuten, dass Systementwickler nur Eingangs- und Ausgangskondensatoren hinzufügen müssen, um einen vollständigen DC/DC-POL-Wandler zu erstellen.

Bewertungsgremien

Um Entwickler zu unterstützen, hat TDK außerdem eine Reihe von Evaluierungskarten zur Verfügung gestellt, die eine schnelle Beurteilung aller wichtigen Funktionen der µPOL™ DC/DC-Wandler ermöglichen. Diese Karten werden mit vollständiger Begleitdokumentation geliefert, die eine Stückliste, Schaltpläne und typische Angaben enthält Leistungsdiagramme.

GUI-Software und Benutzerhandbücher können kostenlos von der TDK-Website heruntergeladen werden. Mit dieser Software können Benutzer eine Schnittstelle zu den Evaluierungsplatinen herstellen, um Konfigurationen zu ändern und die Module zu programmieren.

Scannen Sie den untenstehenden QR-Code zum Herunterladen.

Die µPOL™ DC/DC-Wandler der FS-Serie werden auch von Ultra Librarian unterstützt, der kostenlosen Online-CAD-Bibliothek, in der Schaltplansymbole, Grundrisse und 3D-Modelle für alle gängigen CAD-Softwarepakete heruntergeladen werden können. Darüber hinaus verfügt Ultra Librarian über eine Reihe von Referenzdesigns, die einzelne und mehrere µPOL™-Designs für Anwendungen bis zu 40 W abdecken. Dazu gehören vollständige Schaltpläne und Layouts, die direkt in Ihr Design importiert werden können. Ultra Librarian unterstützt alle gängigen CAD-Softwarepakete, darunter Altium, Cadence Allegro, OrCAD, Mentor Graphics, Eagle Libraries und KiCad.*

Designunterstützung

Anglia bietet Unterstützung für Kundendesigns mit kostenlosen Evaluierungskits, Demonstrationsplatinen und Mustern von TDK-Produkten über den EZYsample-Service, der allen registrierten Kunden mit Anglia Live-Konto zur Verfügung steht.

Das Ingenieurteam von Anglia steht Designern auch bei energiebasierten Designs zur Seite und kann Beratung und Unterstützung auf Komponenten- und Systemebene anbieten. Dieses Fachwissen steht Kunden bei allen Aspekten ihres Produktdesigns zur Verfügung und bietet praktische Unterstützung und Zugriff auf zusätzliche umfassende TDK-Ressourcen, einschließlich technischer Anwendungshinweise, Whitepapers, Referenzdesigns und Online-Tools, die Designer bei der Auswahl des richtigen Produkts je nach Anwendung oder Leistungsbedarf unterstützen .

Besuchen Sie www.anglia-live.com, um die gesamte Palette der von Anglia erhältlichen TDK-Produkte zu sehen.

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