Míříte hodně vysoko? S napájením od Renesas to nebude úlet

Tam nahoru se zraky lidí upínaly již od pradávna. Každý zde přitom vidí nebo také sleduje něco úplně jiného. Hvězdy, planety, úchvatná nebeská představení, a když na to přijde, třeba i vlastní techniku. Jenže není elektronika jako elektronika.

Na míru AMD

Návrh zařízení provozovaných mimo „rodnou planetu“ podléhá přísným pravidlům. A není se ani čemu divit, vždyť i sebemenší selhání zde může nakonec ohrozit úspěch celé mise zatížené doslova astronomickými náklady. Obzvlášť pečlivě je proto zapotřebí vybírat i součástkovou základnu. Naštěstí zde máme výrobce, kteří budou i tam nahoře stále „jako doma“. Třeba společnost Renesas Electronics, resp. Intersil, která se na tomto poli pohybuje již řadu desetiletí a jejíž začátky spojujeme dokonce se založením Radiation Inc. v roce 1950. Takřka každá umělá družice, vypuštěný raketoplán nebo též průzkumná mise směřující do kosmického prostoru nesly od té doby produkty této značky. Jejich vybraným obvodům se na stránkách časopisu DPS Elektronika od A do Z s radostí věnujeme, nedávno např. v [1],[2] nebo [3], a nejinak tomu bude i dnes.

Firma Renesas Electronics svůj závazek opět doložila letos v červenci [4], když ve spolupráci s dalším velkým hráčem, kterým je AMD, vyvíjela a nakonec i představila ucelený referenční návrh na způsob „space-ready“, určený speciálně pro jejich adaptivní SoC (system-on-chip) Versal™ XQRVC1902. Techniku je totiž nutné spolehlivě i napájet, zvláště když zde máme co do činění s vysoce výkonnými, flexibilními a také dynamicky rekonfigurovatelnými bloky pro účely umělé inteligence AI či strojového učení ML, jednotkami DSP, programovatelnou logikou, transceivery, jejichž rychlosti dosahují 32 gigabitů za vteřinu nebo např. vestavnými procesory s dvojím jádrem Arm^® Cortex-A72, resp. Arm^® Cortex-R5 [5]. V každodenní praxi to pak může znamenat i extrémy, jako je napětí 800 mV pro napájení jádra společně s proudovým odběrem, který se umí vyšplhat až ke 140 ampérům.

Kontroléry, budiče a regulátory

Výsledné řešení zde aktuálně ponese označení ISLVERSALDEMO2Z a počítat bude s klíčovými součástkami „rad-hard“ sloužícími v rámci „power managemenu“ k řízení napájení, a to včetně čtyř nových či nedávno představených prvků v neobyčejně kompaktním provedení, ke kterým se ještě dostaneme. V systémech nové generace podpoří integrované struktury s logem Intersilu spoustu různých úrovní napájecího napětí, a to nejen v případě samotného jádra, ale také dalších souvisejících číslicových obvodů, analogových systémů či pamětí DDR4. K dispozici je rovněž univerzálně použitelná sběrnice +5 V / +3,3 V, přičemž pro každou z hladin je dále počítáno s řízením posloupností při zapínání a také vypínání.

Obr. 1  Trend už je prostě takový: napětí sloužící k napájení jader se v případě hradlových polí či dalších speciálních obvodů, včetně ASIC, obecně snižují, zatímco proudové odběry dále rostou, takže bude stále náročnější vyhovět příslušným požadavkům zajišťujícím bezchybný provoz celého systému. Pro zařízení, která si musí na své pouti vesmírem vystačit s omezeným přísunem energie, zatímco jsou dlouhodobě vystavena extrémním teplotám, včetně záření, to bude platit dvojnásob [4]

Způsob řešení zcela vyhovuje návrhům, které si žádají minimální tolerance, zatímco dále počítají se skutečně vysokými odběry proudu nebo i účinnou konverzí za mimořádně náročných okolních podmínek. Základní představu o novém referenčním návrhu s celou řadou robustních integrovaných obvodů, které byly testovány a prověřovány s cílem zajistit spolehlivou činnost celého systému navzdory přítomnosti zvýšených úrovní radiace, si můžeme udělat díky blokovému diagramu na obr. 2, příp. výsledné realizaci zachycené na obr. 3. Nalezneme zde kontroléry s pulzně-šířkovou modulací PWM, budiče polovičního můstku s tranzistory FET na bázi nitridu galia (GaN), regulátory pracující přímo v místě zátěže, tzv. PoL, spínače nebo též prvky pro ošetření posloupností. Díky malým rozměrům pouzder pak výsledek zabere na desce pouze něco málo přes jedno sto čtverečních centimetrů, což odpovídá zhruba ploše o velikosti dvou navštívenek. Společně s ISLVERSALDEMO2Z vývojáři rovněž dostávají veškeré soubory, včetně schémat, rozpisky součástek nebo Gerber souborů, potřebné k rychlému zapracování uceleného řešení do svých vlastních návrhů.

Obr. 2  Žádnou výjimkou zde nebude ani výpočetní platforma Versal™ od AMD – adaptivní systém SoC vhodný pro kosmické aplikace, který se vyznačuje nejen potřebnou odolností vůči záření, ale také schopnostmi umělé inteligence, včetně možností zpracovávat signály s obrovskou šířkou pásma. Firma Renesas nyní ve spolupráci s AMD připravila kompletní řešení pro související řízení napájení. ISLVERSALDEMO2Z má za úkol zajišťovat veškeré hladiny vyžadované platformou Versal™, a to včetně napájení jádra 0,8 V při odběru 100 nebo až 140 A [6]

Obr. 3  Způsob řešení vývojové desky ISLVERSALDEMO2Z. Celý systém zde bude napájen ze zdroje +12 V_DC. Dva spínané regulátory pak na vstupu zajišťují systémové úrovně s napětím +5,0 V a +3,3 V, které se následně použijí při napájení všech ostatních DC/DC regulátorů v místě jejich určení [6]

Řeší DDR, ale i posloupnosti

Mezi všemi napájecími hladinami systému Versal™ ACAP od AMD Xilinx bude asi nejvíce vyčnívat úroveň VCC_INT určená pro jádro, která při 800 mV počítá s průtoky o velikosti až 100 A. Renesas k tomu využije rad-hard regulátoru na způsob PoL, složeného ze dvou nových PWM kontrolérů ISL73847SEH s duálním výstupem, čtyř navazujících a také nových budičů FETů GaN ISL73041SEH v konfiguraci polovičního můstku (viz obr. 4, kde oba prvky rovnou podporují vzájemnou obousměrnou komunikaci za účelem synchronizace či detekce chyb) a konečně i dvanácti samotných 40V tranzistorů ISL70020SEH, pro které je vedle proudové zatížitelnosti 65 A příznačný odpor v sepnutém stavu 3,5 mΩ. Stojí za zmínku, že v případě desky ISLVERSALDEMO2Z se výrobce uchýlil ke čtyřstupňovému řešení s výstupní zatížitelností 100 A, což představuje 25 A na jeden blok. Pokud to ale bude nutné, lze na základě změny součástek docílit i 35 A na jednu „fázi“, což po vynásobení čtyřmi dává v úhrnu již dříve zmiňovaných čtyřicet ampér navíc.

Obr. 4  Ukázka vzájemné spolupráce dvou nových integrovaných obvodů firmy Renesas použitých mimo jiné i v referenčním návrhu. Typické zapojení spínaného DC/DC měniče – dvoustupňového snižujícího PWM kontroléru ISL73847SEH s budičem polovičního můstku ISL73041SEH a také tranzistory FET GaN – nám nyní ze vstupního napětí 12 V vyrábí výstupních 1,0 V s možností proudového zatížení až 50 A [6]

Další úrovně potřebné k napájení číslicových nebo i analogových struktur Versal™ ACAP budou zajišťovány synchronně snižujícími regulátory ISL70001ASEH či novým ISL73007SEH s integrovaným tranzistorem FET (viz také příklad možného řešení dle obr. 5). Pokud jde o paměť DDR4 a hladiny VDDQ nebo též VTT vně systému Versal ACAP, pomůžeme si ještě synchronně snižujícím regulátorem ISL70005SEH plus LDO (Source/Sink). Zapomenout ale nesmíme ani na pečlivé řízení posloupností, bez kterého se v takových návrzích rozhodně neobejdeme. V našem případě pak vstupuje do hry čtyřkanálový sekvencér ISL70321SEH [6].

Obr. 5  Mezi novinkami se objevily též 18V rad-hard regulátory ISL73007SEH s proudovou zatížitelností 3 A pracující přímo v místě zátěže – na obrázku příklad možného zapojení s vnější kompenzací pro konverzi napájení 12 V / 3,3 V @ 500 kHz [6]

Odkazy:

[1] Na oběžnou dráhu s novou rodinou. V plastu, a přece bezpečně, https://www.dps-az.cz/clanky/id:54034/na-obeznou-drahu-s-novou-rodinou-v-plastu-a-prece-bezpecne

[2] Proudové zdroje nejsou žádným oběživem. Ani když budou kryty zlatem, https://www.dps-az.cz/clanky/id:58391/proudove-zdroje-nejsou-zadnym-obezivem-ani-kdyz-budou-kryty-zlatem

[3] Měnič a LDO navždy spolu. I mimo planetu, https://www.dps-az.cz/zpravy/id:67819/menic-a-ldo-navzdy-spolu-i-mimo-planetu

[4] Tisková zpráva, https://www.renesas.com/eu/en/about/press-room/renesas-develops-complete-power-management-solution-amd-space-grade-versal-adaptive-soc

[5] XQR Versal™ for Space 2.0 Applications, https://www.xilinx.com/content/dam/xilinx/publications/product-briefs/xilinx-xqr-versal-product-brief.pdf

[6] Referenční návrh ISLVERSALDEMO2Z, https://www.renesas.com/eu/en/products/space-harsh-environment/rad-hard-hermetic/rad-hard-power/rad-hard-switching-regulators/islversaldemo2z-power-management-reference-design-amd-versal-xqrvc1902