Современные решения MORNSUN для ПЛИС, процессоров и других компонентов: сквозное питание от шины до точки нагрузки

15 марта 2023

телекоммуникацииуправление питаниемавтоматизацияответственные примененияуниверсальное применениеMornsunстатьяисточники питанияDSPDC/DC-преобразовательPOLBrickFPGAПЛИСстабилизатор напряжения

Сергей Миронов (КОМПЭЛ)

На многих доступных в России компонентах MORNSUN можно реализовать архитектуру распределенного питания для современных ПЛИС (FPGA), процессоров, цифровых сигнальных процессоров (DSP) и других аналогичных компонентов от шины питания до точки конечной нагрузки. Особая тема статьи – на что обращать внимание при выборе стабилизаторов напряжения PoL (Point of Load) для указанных компонентов.

Развитие современной вычислительной техники и электроники, как правило, ведет к увеличению энергопотребления, несмотря на использование более экономичных и эффективных решений. В этом заключается парадокс развития вычислительной техники, телекоммуникационного и другого оборудования. Отчасти феномен объясняется возрастающей сложностью, функциональностью и вычислительной мощностью разрабатываемых устройств. С другой стороны, для повышения конкурентоспособности производители вынуждены уменьшать габаритные размеры, снижать эксплуатационные расходы и увеличивать срок безотказной работы своих изделий.

С ростом потребляемой мощности, уменьшением габаритов и повышением надежности важной составляющей любого устройства становится его система питания. Поскольку приходится концентрировать больше мощности в меньшем пространстве, разработчикам приходится уделять этой системе особое внимание.

Ситуация усугубляется при использовании современных микросхем с высокой степенью интеграции и повышенной потребляемой мощностью (процессоры, DSP, FPGA или ПЛИС и другие), которые имеют несколько шин питания с различным напряжением, и которым при включении необходимо подавать это питание в определенной последовательности. В дальнейшем тексте будем считать ПЛИС универсальным примером, сочетающим в себе электрические параметры, характерные для всех указанных микросхем.

Архитектура питания от промежуточной шины

В течение нескольких лет системы питания прошли путь от одномодульных источников с одним или несколькими выходами до более сложных решений так называемого распределенного питания с резервированием.

В настоящее время широко применяется система распределенного питания с промежуточной шиной определенного напряжения (рисунок 1). Такой подход используется в промышленных объектах (шина 24 В), в телекоммуникационном оборудовании (шина 48 В), в вычислительной технике (шина 12 В), на железнодорожном транспорте (в зависимости от страны и от типа железнодорожного транспорта – шины 24/28/48/72/96/110 В). Напряжение основной шины в случае резервирования формируется от нескольких источников питания требуемой мощности (AC/DC-преобразователи) и/или с использованием резервных аккумуляторных батарей. От этой шины питаются все конечные устройства.

Рис. 1. Архитектура питания устройства от промежуточной шины

Рис. 1. Архитектура питания устройства от промежуточной шины

При такой архитектуре питания необходимо в конечном устройстве использовать изолированный DC/DC-преобразователь соответствующей мощности (например, преобразователь в корпусе типа Brick или ином), который обеспечит необходимую изоляцию питаемых от единой шины различных устройств. Этот преобразователь понижает напряжение шины до какого-то одного основного значения, принятого в устройстве, например до 12 В. А необходимые для конечных узлов и каскадов напряжения уже формируются неизолированными DC/DC-преобразователями или стабилизаторами напряжения непосредственно в точке нагрузки (PoL; Point of Load).

Проще говоря, на первом уровне (этапе) обеспечивается стабильное и надежное (резервированное) напряжение шины, а на втором уровне (этапе) разработчики адаптируют свои устройства к напряжению этой питающей шины, применяя изолированные DC/DC-преобразователи и необходимые стабилизаторы напряжения.

Поскольку современные микросхемы с высокой степенью интеграции имеют низкое напряжение питания – например, ядрам процессоров необходимы напряжения менее 1,0 В – а мощности составляют десятки ватт, то, как следствие, токи возрастают до нескольких десятков ампер. Установка стабилизатора напряжения рядом с нагрузкой позволяет не «тащить» эти токи по всей плате, а направить их непосредственно в нагрузку. По плате проходит цепь с напряжением относительно высокого значения (12 В), следовательно, ток по этой цепи будет достаточно низким, и с ним прекрасно справятся дорожки приемлемой ширины или медный слой небольшой толщины.

Основные особенности питания ПЛИС и требования к PoL-стабилизаторам

Развитие современных БИС/СБИС идет по пути увеличения количества ядер, повышения степени интеграции, перехода на технологический процесс с меньшим размером элементов, что в совокупности приводит к снижению напряжения питания, увеличению потребляемого тока и возрастанию количества необходимых уровней напряжения.

Решение, которое можно считать оптимальным на современном этапе, это использование PoL-стабилизаторов, то есть, стабилизаторов напряжения, устанавливаемых непосредственно у конечной нагрузки.

На какие основные параметры этих стабилизаторов следует обратить внимание? Это связано с некоторыми особенностями питания ПЛИС и им подобных компонентов.

В общем случае ПЛИС имеет несколько уровней напряжения питания, малые допуски на отклонение напряжения и определенную последовательность подачи этих напряжений.

Как правило, подобные схемы требуют не менее трех уровней напряжения: питание ядер, питание портов ввода-вывода, питание вспомогательных каскадов, к тому же, возможно раздельное питание для цифровых и аналоговых частей. Допуск на напряжение ядра обычно наиболее жесткий (не хуже 5%).

У ПЛИС может быть несколько групп портов ввода-вывода для работы с различными типами цифровой логики, каждому из которых необходим свой уровень напряжения.

Внутри ПЛИС могут быть чувствительные каскады (например, ФАПЧ, АЦП), питание которых должно быть с минимальными шумами и пульсациями. С другой стороны, ПЛИС являются высокодинамичной нагрузкой, которой по линиям питания необходимы конденсаторы повышенной емкости для сглаживания переходных процессов. Эти конденсаторы в момент подачи питания действуют как короткое замыкание для стабилизатора.

Для формирования определенной последовательности подачи напряжения требуется, чтобы у PoL-стабилизатора был вход дистанционного включения/выключения логическим уровнем прямой (положительной) или обратной (отрицательной) полярности.

Схема питания ПЛИС условно представлена на рисунке 2. Видно, что эта схема довольно сложна, а с учетом того, что некоторым каскадам требуются высокие значения тока, могут возникнуть вопросы о принципе ее реализации. У разработчика-схемотехника и проектировщика печатных плат могут возникнуть трудности с грамотной реализацией системы питания на “россыпухе”.  Решение этой задачи могут существенно облегчить готовые компактные модули, которые будут формировать требуемые напряжения необходимой мощности. Благодаря небольшим размерам их можно разместить непосредственно у нагрузки. 

Рис. 2. Возможная архитектура питания ПЛИС

Рис. 2. Возможная архитектура питания ПЛИС

Итак, у нас сформировались основные требования к PoL-стабилизатору для питания ПЛИС, процессоров и им подобных компонентов:

  • наличие или возможность программирования различных уровней напряжения;
  • высокая стабильность и точность выходного напряжения;
  • невысокий (допустимый) уровень шумов и пульсаций;
  • надежная работа с высокой емкостью на выходе;
  • высокие динамические параметры (низкие колебания выходного напряжения при изменении нагрузки в широких пределах);
  • КПД не менее 93…95%;
  • компактные размеры

КПД в данном случае – весьма важный параметр. Это связано с тем, что питать данные стабилизаторы будут мощные компоненты, располагающиеся рядом друг с другом, к тому же, их требуется несколько штук на одну нагрузку. Все это создает на печатной плате кластер повышенного выделения тепла. Поэтому, чем меньше тепла идет в бесполезный нагрев, тем лучше.

Где же в условиях современной ситуации с ограничением поставок можно взять столь нужные нам готовые изолированные DC/DC-преобразователи и PoL-стабилизаторы? Всю эту продукцию уже давно серийно выпускает известный производитель MORNSUN.

PoL-стабилизаторы MORNSUN с высоким значением выходного тока

Компания Mornsun разработала и серийно выпускает PoL-стабилизаторы напряжения двух семейств K12T и K12MT с выходным током 6, 10, 12, 16 и 20 А (таблица 1, рисунок 3). Конструктивно все стабилизаторы предназначены для поверхностного монтажа (SMD).

Рис. 3. Внешний вид стабилизаторов семейств K12T (а) и K12MT (б)

Рис. 3. Внешний вид стабилизаторов семейств K12T (а) и K12MT (б)

Таблица 1. Основные параметры стабилизаторов напряжения семейства K12

Наименование* Выходной ток, А Входное напряжение, В Выходное напряжение, В КПД Шумы и пульсации, мВ Макс. емкость на выходе, мкФ Габаритные размеры, мм Логика управления
K12MT-12A-N 12 4,5…15 0,6…5,5 95 50 1000 12,2х12,2х8,7 отрицательная
K12MT-12A-P 12 4,5…15 0,6…5,5 95 50 1000 положительная
K12MT-6A-N 6 4,5…15 0,6…5,5 94 50 1000 отрицательная
K12MT-6A-P 6 4,5…15 0,6…5,5 94 50 1000 положительная
K12T-10A-N 10 8,3…15 0,75…5 96 65 5000  

33х13,5х8,3

отрицательная
K12T-10A-P 10 8,3…15 0,75…5 96 65 5000 положительная
K12T-16A-N 16 8,3…15 0,75…5 95 65 5000 отрицательная
K12T-16A-P 16 8,3…15 0,75…5 95 65 5000 положительная
K12T-20A-N 20 8…15 0,6…5 94 65 6000 отрицательная
K12T-20A-P 20 8…15 0,6…5 94 65 6000 положительная
K12T-6A-N 6 8,3…15 0,75…5 94 35 1000 20,3х11,4х6,6 отрицательная
K12T-6A-P 6 8,3…15 0,75…5 94 35 1000 положительная
* Точность установки выходного, напряжения – 1%.

Как следует из таблицы, основное отличие между семействами K12T и K12MT заключается в габаритных размерах и широте модельного ряда. Семейство K12T было разработано одним из первых и на рынке существует с конца 2021 года. Соответственно, это семейство имеет самый широкий выбор моделей по выходному току: от 6 до 20 ампер включительно. А K12MT является новой продукцией, анонсированной в конце 2022 года, и пока в этом семействе доступны модели с выходным током на 6 и 12 ампер. Но зато в нем кардинально уменьшились габаритные размеры и, кроме того, в стабилизаторах нового семейства появилась функция контроля работоспособности.

Для контроля работоспособности имеется специальный вывод PGOOD, на который можно подключить светодиод или дополнительную схему контроля. Если по какой-то причине напряжение выйдет за границу ±10% от внутреннего напряжения на резисторе обратной связи (FB), уровень напряжения на этом выводе сменится с высокого на низкий, тем самым сигнализируя о неисправности стабилизатора.

По остальным параметрам эти два семейства схожи. Все модели имеют широкий диапазон выходного напряжения и высокую точность установки на уровне ±1%. Последний параметр зависит от точности используемого резистора для установки напряжения (Rtrim; рисунок 4). Для обеспечения указанной точности потребуются резисторы с допуском на уровне 0,1%. Если же использовать более доступные резисторы с допуском в 1%, то точность установки выходного напряжения снизится до 2…3%, что тоже является высоким показателем (менее 5%).

Рассчитать сопротивление резистора Rtrim для серии K12MT можно по простой формуле:

$$R_{trim}=\frac{12}{V_{out}-0,6},$$

где Vout – требуемое выходное напряжение. Например, для выходного напряжения 0,6 В – Rtrim не требуется (бесконечно большое сопротивление), а для выходного напряжения 1,2 В – Rtrim=20 кОм. Вся необходимая для этого информация имеется в даташитах на продукцию.

Для компенсации падения напряжения имеется вход обратной связи SENSE, который нужно соединить отдельной дорожкой непосредственно в точке подачи питания к нагрузке. В этом случае можно компенсировать падение напряжения до 0,5 В. Эту возможность следует использовать, если по каким-то конструктивным соображениям не удается поместить стабилизатор рядом с нагрузкой. Если этой функцией пользоваться не предполагается, то необходимо соединить SENSE с выходным контактом стабилизатора.

Шумы и пульсации имеют допустимый уровень порядка  50 мВ (типичное значение). 

Рис. 4. Типовая схема включения K12MT-6A

Рис. 4. Типовая схема включения K12MT-6A

Все стабилизаторы допускают подключение на выходе емкости достаточно высокого значения от 1000 до 6000 мкФ (в зависимости от значения выходного тока). Такая емкость, особенно если она достигается параллельно соединенными конденсаторами меньшей емкости с низким внутренним импедансом, позволяет хорошо сгладить переходные процессы при динамично меняющейся нагрузке. В зависимости от скорости изменения нагрузки (dI/dt) перепад составляет несколько десятков милливольт. Например, для модели K12MT-6A при изменении нагрузки с шагом 50%-100%-50% и скоростью di/dt=2.5A/мксек. перепад выходного напряжения составляет не выше ±25 мВ (выходное напряжение 1,2 В; емкость 47мкФ + 3х330 мкФ). Более подробные данные по динамическим режимам можно найти в даташитах на продукцию.

Стабилизаторы обладают высоким КПД, типичное значение  на уровне 94…95%, что позволяет использовать их в широком температурном диапазоне без дополнительного охлаждения.

Для управления включением-выключением и организации определенного алгоритма подачи питания все преобразователи имеют вход управления, причем можно выбрать модель как с отрицательной, так и с положительной логикой.

Как видим, и ранее разработанная, и новая продукция полностью соответствует предъявляемым к PoL-стабилизаторам  требованиям (см. выше), причем новая продукция более компактна и, к тому же, имеет дополнительный функционал, позволяющий создать надежную схему питания с контролем основных параметров. 

Изолированные DC/DC-преобразователи напряжения шины

Для преобразования входного напряжения основной питающей шины в выбранное основное напряжение на печатной плате устройства у компании MORNSUN имеется огромный выбор изолированных DC/DC-преобразователей мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен ватт в различных корпусах (DIP-24, 1”x1”, 2”x1”, Brick). Рассмотреть всю эту номенклатуру в рамках одной статьи не представляется возможным. В данной статье мы только кратко рассмотрим новую продукцию в корпусах типа Brick для телекоммуникационного оборудования – семейства VCB/VCF.

Преобразователи в указанном конструктивном исполнении выпускаются в диапазоне мощности от 10 до 400 Вт и рассчитаны на номинальное входное напряжение 24, 48 и 110 В с шириной входа 2:1, 4:1 и 12:1. Фактически, можно найти модель для телекоммуникационного, промышленного, железнодорожного и любого другого оборудования (таблицы 2, 3, 4; рисунок 5).

Таблица 2. Серии DC/DC-преобразователей с входным напряжением 36…75 В (для телекоммуникационного оборудования)

Мощность, Вт Типоразмер корпуса
1/4 Brick 1/8 Brick 1/16 Brick
10 VCB48-SBO-10WR3
20 VCB48-SBO-20WR3
30 VCB48-SBO-30WR3
50 VCB48-SBO-50WR3
75 VCB48_SBO-75WR3
100 VCB48-EBO-100WR3 VCB48-SBO-100WR3
120 VCF48_EBO-120WR3
150 URF48_QB-150WR3
200 VCB48-QBO-200WR3
400 VCF48-QBO-400WR3

Таблица 3. Серии DC/DC-преобразователей с входным напряжением 9…36 В (для промышленного оборудования)

Мощность, Вт Типоразмер корпуса
1/2 Brick 1/4 Brick
100 URF24_QB-100WR3
150 URF24_QB-150WR3
350 VRB24_HB-350WR3

Таблица 4. Серии DC/DC-преобразователей со входным напряжением 40…160 и 14…160 В (для железнодорожного оборудования)

Мощность, Вт Типоразмер корпуса
1/2 Brick 1/4 Brick
50 UWTH1D_QB-50WR3S
75 URF1D_QB-75WR3
100 URF1D_QB-100WR3
UWTH1D_QB-100WR3
150 URF1D_HB-150WR3
250 URF1D_HB-250WR3

Рис.5. Внешний вид преобразователей в корпусах типа Brick

Рис.5. Внешний вид преобразователей в корпусах типа Brick

Как видно из приведенных таблиц, в настоящий момент у Mornsun в корпусах типа Brick имеется хорошо развитая линейка преобразователей для телекоммуникационного оборудования (семейства VCB/VCF; таблица 2), имеются достаточно мощные преобразователи для промышленного оборудования (таблица 3) и неплохая линейка для железнодорожного применения, причем в этой группе продукции имеются преобразователи с шириной входа 12:1 (14…160 В). Это совсем новые серии UWTH1D_QB-50WR3S и UWTH1D_QB-100WR3 на 50 и 100 Вт (таблица 4) , которые можно использовать как универсальное решение для любых устройств, работающих со входным номинальным напряжением шины 24/48/72/110 В и удовлетворяющих требованиям соответствующего отраслевого стандарта (EN50155). Более подробно эта продукция рассмотрена в [1, 2].

Преобразователи для телекоммуникационного оборудования семейств VCB/VCF (таблица 2) в корпусе типа Brick соответствуют требованиям стандарта DOSA, обладают высоким КПД и работоспособны в широком температурном диапазоне -40…100/85°С.

Практически все эти преобразователи выпускаются в двух вариантах по логике управления положительной (P) и отрицательной (N), но некоторые серии имеют только один вариант управления.

Выходное напряжение соответствует стандартному ряду от 3,3 до 28 В (в зависимости от мощности) с возможностью подстройки (Trim). Продукция обладает всеми необходимыми видами защит, включая защиту от пониженного входного напряжения (UVP). При заказе можно выбрать модель как с установленным радиатором (суффикс F в обозначении), так и без него.

Преобразователи обеспечивают изоляцию между входными и выходными цепями на уровне 1500 В (семейство VCB) и 2250 В (семейство VCF) и обладают хорошей нагрузочной способностью к емкости нагрузки. Возможно подключение конденсаторов емкостью более 10000 мкФ (в зависимости от модели).

Для повышения стабильности напряжения на нагрузке эти преобразователи также имеют вход SENSE для компенсации падения напряжения на подводящих проводах.

Рассмотренными компонентами существующая линейка продукции не ограничивается. У компании MORNSUN имеется широчайший выбор простых неизолированных стабилизаторов напряжения – семейство K78, их тоже можно использовать в качестве PoL-стабилизаторов.

PoL-стабилизаторы MORNSUN широкого применения

Продукция семейства K78 – это простые импульсные стабилизаторы, которые имеют только вход/выход и землю и с успехом заменяют линейные стабилизаторы типа LM78/79 или КРЕН (рисунок 6). Эти стабилизаторы не имеют входа внешнего управления, за некоторым исключением*, и не могут реализовать определенный алгоритм подачи питания, но зато могут простым и недорогим способом обеспечить питанием какие-то узлы с потребляемым током до 500/1000/2000 мА. Это – преобразователи в различных корпусах типа SIP-3, SMD, в открытом варианте для пайки в отверстие или для поверхностного монтажа. Более подробно с этой продукцией можно ознакомиться в [3, 4, 5].

Здесь же, ввиду уникальности, можно особо выделить две серии последнего четвертого поколения (R4) K78xxMT-500R4 и K78xxMT-1000R4 (рисунок 6 г).

* Важно! Именно эти стабилизаторы четвертого поколения имеют вход внешнего управления (Ctrl) и, соответственно, могут участвовать в электроснабжении компонентов, где требуется определенный алгоритм подачи питания.

Их уникальность в том, что это полностью законченные стабилизаторы напряжения, которым не требуются внешние компоненты за исключением пары конденсаторов, и которые в корпусе типа QFN (DFN) размером всего лишь 9х7х3,1 мм могут без радиатора обеспечить выходной ток до 1 ампера при входном напряжении до 36 В и верхней граничной температуре вплоть до 70/85°C.

Выходное напряжение – из стандартного ряда от 3,3 до 15 В с возможностью подстройки (Trim) и стабилизации как положительного, так и отрицательного значения.

Рис. 6. Стабилизаторы напряжения типа K78

Рис. 6. Стабилизаторы напряжения типа K78

Заключение

В настоящей статье мы рассмотрели совсем небольшую часть продукции MORNSUN, используя которую, можно построить надежную и отвечающую современным требованиям схему питания практически любого устройства промышленного, телекоммуникационного и железнодорожного назначения. Причем эта продукция позволяет фактически организовать сквозное питание непосредственно от входной шины до процессора или другого компонента, используя только доступные элементы одного производителя.

Дополнительные материалы по теме статьи

  1. Экономичность и универсальность: новые DC/DC-преобразователи MORNSUN для ответственных применений
  2. DC/DC-преобразователи MORNSUN c широким входом – надежное решение для железнодорожного транспорта
  3. Новая серия импульсных стабилизаторов K78-R4 с технологией Chiplet SiP для SMD-монтажа
  4. K78xx/500R3-LB – ультракомпактные и недорогие импульсные стабилизаторы напряжения от Mornsun
  5. Немногим дороже дискретного решения: новое поколение импульсных стабилизаторов Mornsun
•••

Наши информационные каналы

О компании Mornsun

Mornsun Guangzhou Science & Technology Co., Ltd. – высокотехнологичная компания, основанная в 1998 году в китайском городе Гуанчжоу. В настоящий момент является одним из национальных лидеров на рынке источников питания. Основным видом продукции являются DC/DC- и AC/DC-преобразователи, устанавливаемые на печатную плату, AC/DC преобразователи, устанавливаемые на din-рейку, а также источники питания в открытом и закрытом исполнениях. Кроме того, компания выпускает драйверы IGBT, устанавлива ...читать далее

Товары
Наименование
K12T-6A-P (MORNSUN)
 
K12T-6A-N (MORNSUN)
 
K12MT-12A-N (MORNSUN)
 
K12T-16A-N (MORNSUN)
 
K12MT-6A-N (MORNSUN)
 
VCB4805SO-3WR3 (MORNSUN)
 
VCB4812SO-3WR3 (MORNSUN)
 
VCB4805SBO-20WR3 (MORNSUN)
 
VCB4812SBO-20WR3 (MORNSUN)
 
VCB4812QBO-200WR3 (MORNSUN)
 
K7805-500R3 (MORNSUN)
 
K7803-500R3 (MORNSUN)
 
K78L05-500R3 (MORNSUN)
 
K7805-500R3-LB (MORNSUN)
 
K7812-500R3 (MORNSUN)