Když 100 A nestačí aneb napájení nové generace procesorů a FPGA

Ve špičkových serverech, sítích nebo výpočetních systémech se proudový odběr procesorů, polí FPGA nebo speciálních ASIC neustále zvyšuje a zátěží tak běžně protéká 100 A nebo i více. Pracovní napětí čipů se mezitím dostává na 0,9 V a ještě níže, zatímco požadavky na vhodnou regulaci napětí dále porostou. Abychom dosáhli optimálních výsledků, setkáváme se v řadě těchto aplikací s potřebou nastavení napětí jádra přes rozhraní VID (Voltage Identification). Před vývojáři tak stojí důležitý úkol: zajistit vysokou účinnost napájecího zdroje, přesnou regulaci výstupního napětí a ještě přitom ušetřit místo na desce plošných spojů.

Jeden ze způsobů, jak těmto požadavkům vyhovět, spočívá v nasazení dvojice obvodů – chipsetu LTC3877 a LTC3874. V případě LTC3877 se jedná o synchronně snižující kontrolér (step-down) se dvěma výstupy, řízený přes VID a pracující v režimu špičkového proudu. Výstup stupně č. 1 lze nastavit s přírůstkem 10 mV od 0,6 V až do 1,23 V a využít přitom paralelní 6bitové rozhraní VID. Stupeň druhý pak zajistí výstup mezi 0,6 V až 5 V, který definujeme vnějším děličem. Fáze lze spojovat paralelně nebo s výstupy dalších LTC3877 či LTC3874 a dosahovat ve výsledku vyšších proudů.

Integrovaný obvod LTC3874 zde vytváří synchronní slave kontrolér pracující opět v proudovém režimu a rozšiřující počet fází. Nemá zesilovač odchylky a k regulaci proudu zde dochází přes signál ITH z masteru LTC3877. Promyšlený návrh struktury LTC3874 tak ve výsledku snižuje počet vodivých spojů a na desce zabírá i méně místa. LTC3877 dostaneme v pouzdrech typu QFN s 44 vývody a o rozměrech 7 × 7 mm, slave kontrolér LTC3874 má zase 28 vývodů a pouzdro QFN měří 4 × 5 mm.

Obr. 1 4fázový měnič řízený přes VID, pracující na kmitočtu 400 kHz, dodává do zátěže 120 A

Přesný a účinný vícefázový návrh

4fázový snižující měnič zachycený na obr. 1 využívá obvodů LTC3877 a LTC3874 k zajištění výstupního napětí 0,6 V až 1,23 V, řízeného přes VID s maximálním zatěžovacím proudem 120 A a spínacím kmitočtem 400 kHz. Pro všechna nastavení bodů VID dosahuje LTC3877 napříč teplotním rozsahem výsledné přesnosti DC regulace ±1 %. Rozdílový zesilovač pro vzdálené měření v rámci LTC3877 snímá výstupní napětí v místě regulace a provádí kompenzaci s ohledem na úbytky napětí na trasách plošného spoje a jeho zemních plochách. Provoz se čtyřmi stupni pak díky menšímu zpoždění taktu znamená i nižší zvlnění výstupního napětí, včetně rychlejší odezvy na změnu zátěže. Vysoká míra účinnosti bude výsledkem silných budičů hradla spolu s krátkou prodlevou (dead time) dvojice čipů, volby MOSFETů a výběru indukčností s feritovým jádrem a jejich DCR menším než 1 mΩ. Jak můžeme vidět na obr. 2, účinnost zdroje 1,2 V bude za plného zatížení při odběru 120 A činit 88,8 %.

Snímání s DCR menším než 1 mΩ

Jak LTC3877, tak též LTC3874 staví na chráněné architektuře snímání proudu, navržené pro práci se sériovým odporem DCR menším než 1 mΩ. Mohou proto nabídnout precizně řízené sdílení proudu včetně jeho limitace. Na obr. 3 vidíme výsledky takového sdílení u 4fázového měniče z obr. 1. Byla použita indukčnost Würth 744301025 (250 nH) s DCR 0,32 mΩ. Odchylka při sdílení proudu mezi jednotlivými stupni nepřekračuje 1 mV.

Další vlastnosti

Kmitočtový rozsah PLL SYNC Range je v případě obou obvodů 250 kHz až 1 MHz a nechybí zde ani vývod FREQ pro nastavení interní frekvence, není-li synchronizace vyžadována. Pro případ menšího zatížení nabídne LTC3877 tři pracovní režimy – Burst Mode®, vynucený spojitý a tzv. pulse-skipping. LTC3874 pak využije posledních dvou.

Minimální prodleva pro sepnutí tranzistoru (on-time) bude u LTC3877 činit typ. 40 ns, což oceníme v případě malých snižujících měničů s vysokým vstupním a nízkým výstupním napětím, pracujících na frekvenci 500 kHz až 1 MHz. V případě obvodu LTC3874 máme stejný parametr stanoven typicky na 90 ns.

První stupeň LTC3877 umožňuje řízení prostřednictvím VID. Není-li FPGA, ASIC či procesor probuzený nebo rozhraní VID nevyužijeme, můžeme funkci zakázat stažením vývodu VIDEN k nule a nastavením žádaného napětí děličem na výstupu rozdílového zesilovače. Obě části LTC3877 využívají k přesnému řízení výstupního napětí rozdílového zesilovače pro vzdálené snímání. Vstupní napěťový rozsah obou čipů je 4,5 V až 38 V.

Z další výbavy LTC3877 ještě zmiňujeme vývody PGOOD, RUN a TK/SS pro každou hladinu. Pro rychlou odezvu na chybové stavy bude mít LTC3874 své vlastní piny RUN a /FAULT.

Závěr

V podobě čipsetu LTC3877 / LTC3874 se k vývojářům pracujícím na zdrojích napájení dostává vysoce přesné, účinné a zároveň robustní řešení PolyPhase® určené pro napájení FPGA, ASIC a procesorů s požadavky na vysoké proudové odběry.