電信設備製造商一直在被迫提高其系統的資料輸送量和性能,並為系統增加各種功能。同時,這些設備製造商還面臨著降低系統總體功耗的壓力。例如,一種典型的挑戰是,透過重新調度工作流程,將作業轉移到未得到充分利用的伺服器上,使其他伺服器能夠關機,以此降低總體功耗。為了滿足這些要求,瞭解最終使用者設備的功耗是必不可少的。而設計恰當的數位電源管理系統(Digital Power Management System,DPSM)可向使用者提供功耗資料,協助使用者做出明智的能源管理決策。

DPSM的主要優點是降低設計成本,加速產品上市。憑藉一種全面和具備簡便易用的圖形化使用者介面(GUI)的開發環境,可以高效率開發複雜的多軌系統。這類系統可透過GUI而不是焊接「白色導線」定位點來做出更改,因此還可簡化線上測試(ICT)和電路板調試。另一個優點,是由於具備即時遙測資料可用,因此可預測電源系統故障,採取預防性措施。也許最重要的是,具備數位管理功能的DC/DC轉換器允許設計師開發「綠色」電源系統,以最低的負載點、電路板、機架甚至安裝級能耗,滿足目標性能(計算速度、資料傳輸速率…等)要求,從而降低基礎設施成本,以及產品整個壽命期的總體擁有成本。

很多電信系統是透過48伏特(V)背板供電。這一電壓通常會降壓至更低的中間匯流排電壓,典型值為12V~3.3V,以為系統中一架架的電路板供電。不過,這些電路板上的大多數子電路或IC都需要在數十毫安培(mA)至數百安培電流時,在不到1V~3.3V的電壓範圍內運行。因此,需要用負載點(POL)DC/DC轉換器將中間匯流排電壓降至子電路或IC所要求的電壓。這些電壓軌對排序、電壓準確度、裕度和監察有嚴格的要求。

在一個電信系統中,可能有多達50個POL電壓軌,系統設計者需要用一種簡便的方法管理這些電壓軌,管理其輸出電壓、排序和最大可允許電流。某些處理器要求其I/O電壓在核心電壓上升之前上升,而某些DSP則要求其核心電壓先於I/O電壓上升。斷電排序也是必要的,設計者需要簡便的更改方法,以最佳化系統性能,儲存每個DC/DC轉換器的具體配置資料,以簡化設計工作。

此外,系統設計者還需要相對簡便易用的電源轉換器,以滿足電路板上其他各種電源軌的要求,但是可用來放置這些轉換器的電路板面積卻在不斷減少。部分原因是,無法將這類轉換器安裝到電路板背面,因為在機架式系統中,多個電路板是一個貼緊一個放置的,所以設計者受到元件最大高度為2毫米(mm)的限制。設計者真正喜歡使用的是外形尺寸很小的完整電源,且安裝到印刷電路板(PCB) 後,其高度不超過2mm。

解決方案

亞德諾(ADI)的Power by Linear微型模組(μModule)產品是完整的系統級封裝(SiP)解決方案,可最大限度節省設計階段,解決通訊系統中常見的電路板空間和密度等問題。這些微型模組產品是完整的電源管理解決方案,在精巧的表面黏著BGA或LGA封裝中,整合了DC/DC控制器、功率電晶體、輸入和輸出電容器、補償元件,以及電感器。透過微型模組設計系統,可大幅節省完成設計流程所需的時間,視設計複雜性的不同,最多可節省50%的時間。微型模組將元件選擇、最佳化、佈局等設計負擔從設計師轉移到了元件上,從而縮短了總體設計階段和系統排故時間,最終可加速產品上市。

微型模組解決方案在精巧和類似IC的封裝中,整合了分立式電源、訊號鏈路,以及隔離式設計中常見的關鍵元件。該模組經過嚴格的測試和高可靠性驗證,簡化了電源轉換設計的設計過程和佈局。

微型模組適用於多種應用,包括負載點穩壓器、電池充電器、LED驅動器、電源系統管理(採用數位技術管理的PMBus電源)、隔離式轉換器。該模組是高整合的解決方案,每一款元件都有PCB Gerber檔可用,這些元件解決了時間和空間受限的問題,同時提供高效率和可靠性,而且指定產品可用來構成符合EN55022 Class B標準要求的低EMI解決方案。

系統複雜性提高和設計週期縮短導致大量消耗設計資源,因此關注點落在了系統關鍵智慧財產權的開發上。這意味著,在開發過程中,電源常常被放在一邊,直到很晚才會考慮電源問題。由於時間所剩無幾,而且專門的電源設計資源也許很有限,因此要設計出佔板面積最小的高效率解決方案,同時還有可能需要利用PCB背面以最大限度提高空間利用率,因此都會使設計者面臨不小的壓力。

這正是微型模組穩壓器能夠解決的問題,該元件概念從內部看很複雜,從外部看很簡單,能夠提供開關穩壓器那樣的高效率和線性穩壓器那樣的設計簡便性。設計開關穩壓器時,精心設計、PCB佈局和零組件選擇是非常重要的,很多經驗豐富的設計者在職業生涯早期,都聞到過那種獨特的電路板燒焦的味道。在時間有限或電源設計經驗有限時,現成的微型模組穩壓器有助於節省時間,減小失敗風險。

最新的超薄微型模組解決方案是LTM4622。這是一款雙通道2.5A或單通道、兩相5A輸出降壓型電源穩壓器,採用6.25mm×6.25mm×1.8mm超薄LGA封裝。該元件的高度接近已焊好的1206外殼尺寸的電容,可以貼裝在電路板正面。如此的高度使該元件能夠滿足嚴格的高度限制,例如嵌入式運算系統中的PCIe和先進的Mezzanine板卡所要求的高度,如圖1所示。

20180104TA01P1 圖1 最新超薄微型模組可安裝在PCB的背面。

微型模組DC/DC穩壓器還可用來簡易地提供大功率和DPSM功能。因為多個微型模組穩壓器可以並聯,憑藉精準的電流匹配(相互之間的不匹配度標稱值在1%以內)提供更大的負載電流,所以出現熱點的可能性降低了。此外,在並聯的微型模組穩壓器中,只需有一個具備DPSM功能即可,因為此穩壓器可提供完整的數位介面,即使其餘的微型模組元件不具備DPSM功能也無妨。

結論

今日的通訊系統如果採用具備DPSM功能和超薄封裝的穩壓器,電源設計者便能夠以簡便、強大的方法,為標稱1.0V的核心電壓提供大功率輸出,例如低於20nm的最新ASIC、GPU和FPGA中常見的核心電壓。憑藉安裝到電路板上以後高度不到2mm的超薄封裝,微型模組允許使用電路板背面的空間,如果不是這樣的超薄封裝,就無法利用電路板的背面。

最後,在這類環境中使用微型模組穩壓器相當具有意義,因為此穩壓器可以大幅節省調試時間,允許大量提高電路板利用率,而能進一步降低基礎設施成本,以及產品整個壽命期的總體擁有成本。