РЕШЕНИЕ ДЛЯ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ПЛИС

Рисунок 1

Рисунок 2

Разработчики электронных систем часто сталкиваются с серьезными проблемами при проектировании систем управления питанием. Эти проблемы связаны со следующими факторами: управление питанием высокоинтегрированных изделий в малых формфакторах с высокой скоростью передачи данных по шине; увеличение функциональности/производительности; уменьшение геометрии полупроводниковых компонентов; применение ИС, содержащих несколько шин питания, а также необходимость снижения общей стоимости и ускоренного вывода изделия на рынок. При выборе решения для системы питания на базе локализованного к нагрузке стабилизатора напряжения разработчики во многих случаях вынуждены идти на компромисс в отношении эффективности, общей стоимости, габаритных размеров или сложности конструкции. Например, им приходится выбирать между линейным и импульсным стабилизатором или между дискретным прибором и интегрированным модулем. В DC/DC-преобразователях с очень высокой плотностью мощности — т.н. системах PowerSoC (Power-Systems- on-Chip) с интегрированной катушкой индуктивности, которые предлагает недавно присоединенная к компании Altera американская фирма Enpirion, используются новейшие технологии высокочастотных полупроводников и ферритовых магнитов, усовершенствованный метод корпусирования с интегрированными рамочными выводами и передовой подход к проектированию систем DC/DC-преобразования. Интегрированные преобразователи PowerSoC работают на высокой частоте и обладают малыми потерями за счет передовых технологий CMOS и LDMOS, а также технологий ферромагнитных материалов. Благодаря этому их габариты на порядок меньше, чем у дискретных преобразователей (см. рис. 1). Эффективность преобразователей PowerSoC с высокой плотностью мощности достигает 96%, что намного превышает эффективность более крупных DC/DC-преобразователей, обеспечивая при этом подавление коммутационных помех. Такой результат достигнут благодаря внедрению инновационной технологии полевых транзисторов с меньшими размерами, которая позволяет достичь высокого КПД, а также применению ферритовых магнитов с малыми потерями, имеющих патентованную топологию и использующих материалы, оптимизированные для высоких рабочих частот. Интеграция в компактном корпусе с рамочными выводами всех этих важнейших компонентов вместе с управлением, цепью компенсации и фильтрами высоких частот обеспечивает чрезвычайно низкие паразитные помехи и термостойкость. В результате в высокоинтегрированной конструкции PowerSoC снижены нежелательные потери, что обеспечивает большую эффективность, малый уровень помех и высокую надежность в широком диапазоне температур. Кроме трех базовых инновационных областей технологий, компания Altera сосредоточила усилия на реализации комплексного подхода к проектированию систем DC/DC-преобразования, в т.ч. силовых каскадов и цепей компенсации. Это направление деятельности позволяет заказчикам сократить процесс разработки и добиться результатов уже после первого прогона прототипа изделия. Таким образом, разработчики получают возможность сократить время выхода изделий на рынок не в ущерб качеству проектирования. В состав решений на базе PowerSoC могут входить предварительно выбранные внешние компоненты, полная система стабилизатора и проверенная топология печатной платы. Кроме того, при проектировании системы питания особое внимание уделяется оптимальным габаритным размерам изделия, а также таким параметрам как шумовые характеристики, уровень пульсаций на входе и выходе, переходные процессы при изменении нагрузки и стабильность. Системное проектирование позволяет создать готовое решение на базе принципа «включай и работай» (plug-and-play), которое отвечают заданным показателям по уровню помех и временным характеристикам с использованием минимального числа компактных компонентов при малых затратах (см. рис. 2). Кроме того, полностью разработанные на уровне ИС системы PowerSoC имеют оптимизированный уровень надежности, который в 8–10 раз выше, чем у преобразователей со значительно большим числом внешних компонентов. В особенности это касается катушки индуктивности. Среднее время наработки на отказ систем PowerSoC превышает 21800 лет. Чтобы гарантировать надежность PowerSoC в процессе производства, компания Altera выполняет проверку ключевых функциональных параметров этих систем и расширенные приемочные испытания на соответствие требованиям стандарта JESD на уровне микросхем. Кроме того, системы PowerSoC обладают улучшенными тепловыми характеристиками, что позволяет им работать в широком диапазоне температур. В этих устройствах минимизирована внутренняя рассеиваемая мощность, и обеспечен эффективный отвод тепла по пути с малым тепловым сопротивлением, а именно, через интегрированную медную выводную рамку, соединенную с тепловыми переходными отверстиями. В отличие от общепринятой практики, такая надежная конструкция PowerSoC не требует снижения номинальной нагрузки, применения радиаторов или принудительного обдува воздухом при работе в условиях промышленной температуры в 85°C. В заключение следует заметить, что благодаря инновационным подходам в проектировании системы PowerSoC бросают вызов традиционным методам разработки DC/DC-преобразователей. Компания Altera создала важный объект интеллектуальной собственности в области технологии высокочастотных ИС, новых ферромагнетиков с малыми потерями и усовершенствованного способа корпусирования силовых устройств, который позволяет создавать очень компактные и высокоинтегрированные DC/ DC-системы PowerSoC. Разработчики электронной аппаратуры могут добиться одновременно высокой эффективности, малого уровня помех, высокой надежности, простоты конструкции и низкой общей стоимости системы для различных приложений. Другими словами — достичь бескомпромиссного решения, оптимизированного для управления питанием.