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現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 電源設(shè)計(jì)

要長(zhǎng)高 ? 來(lái)源:Maurizio Emilio ? 作者:Maurizio Emilio ? 2022-04-22 17:20 ? 次閱讀

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 用于各種信號(hào)處理應(yīng)用,但工程師必須確保高精度以支持硬件的廣泛需求。為現(xiàn)代 FGPA 設(shè)計(jì)電源時(shí),外形尺寸和熱性能是需要考慮的兩個(gè)因素。

氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙 (WBG) 材料,可用于制造二極管晶體管半導(dǎo)體器件,但其外形尺寸比硅更小、效率更高。GaN 最大限度地減少了傳統(tǒng)硅固有的損耗,因此不需要硅嚴(yán)格的熱管理策略。GaN 的采用率隨著功率密度要求的提高而上升。

為確保高水平的可靠性和安全性,應(yīng)將熱管理策略應(yīng)用于任何產(chǎn)生熱量的電子設(shè)備。將設(shè)備溫度保持在安全工作區(qū)域 (SOA) 內(nèi)對(duì)于確??煽康拈L(zhǎng)期運(yùn)行至關(guān)重要;隨著功率密度的提高,這變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。

熱管理解決方案旨在最大限度地提高熱效率,并最大限度地減少所用設(shè)備的尺寸、重量和成本。隨著許多應(yīng)用中電子設(shè)備內(nèi)容的增加,與熱量形式的功耗相關(guān)的問題不可避免地成倍增加。典型開關(guān)電源的損耗分為兩類:開關(guān)和傳導(dǎo)。

熱設(shè)計(jì)應(yīng)始終結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)概念、應(yīng)用以及是否可以使用主動(dòng)或被動(dòng)冷卻方法來(lái)考慮。首先分析,需要選擇效率高、功耗低的功率分立元件。DC/DC 轉(zhuǎn)換器廣泛用于工業(yè)應(yīng)用的電源電路中,可提供高轉(zhuǎn)換效率并降低功率損耗。

直流/直流解決方案

德州儀器TI) 提供的 TPS546D24A 降壓轉(zhuǎn)換器能夠在 85°C 的環(huán)境溫度下提供高達(dá) 160A 的輸出電流,從而增強(qiáng)了工業(yè)應(yīng)用的熱性能(圖 1)。TPS546D24A 最大限度地提高了 FPGA 電源的功率密度,并使工程師能夠在高性能數(shù)據(jù)中心和企業(yè)計(jì)算、醫(yī)療應(yīng)用、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施和有線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中將功率損耗降低 1.5 W。 據(jù) TI 稱,該器件提供 1.5MHz 的開關(guān)頻率和 0.9mΩ 的低側(cè) MOSFET,效率比其他解決方案高 3.5%。

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圖 1:TPS546D24A 的簡(jiǎn)化原理圖(圖片:德州儀器)

該器件提供小于 1% 的輸出電壓誤差和引腳捆綁配置,可更準(zhǔn)確地監(jiān)控電流以進(jìn)行故障報(bào)告。 此外,它的集成有助于消除板上多達(dá)六個(gè)外部補(bǔ)償組件。 降壓轉(zhuǎn)換器的 PMBus 接口提供可選的內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),允許工程師將大電流 FPGA 每個(gè)應(yīng)用 (ASIC) 的整體電源解決方案尺寸減少 10% 以上。TPS546D24A 的運(yùn)行溫度比最近的解決方案低 13°C,從而提高了在炎熱和惡劣環(huán)境中的運(yùn)行可靠性。

“PMBus 是一種串行接口和開放標(biāo)準(zhǔn),在許多市場(chǎng)和應(yīng)用中都很有用,”德州儀器 (TI) 產(chǎn)品營(yíng)銷工程師 Rich Nowakowski 說(shuō)。 “40-A TPS546D24A 允許通過(guò)引腳綁定或 PMBus 命令進(jìn)行配置,它通過(guò) PMBus 接口將電流報(bào)告為簡(jiǎn)單的單個(gè)地址,即使在多個(gè)器件堆疊到 160 A 時(shí)也是如此?!?/p>

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圖 2:TPSM53604 評(píng)估板(圖片:德州儀器)

與此同時(shí),TI 的 TPSM53604 使工程師能夠?qū)㈦娫唇鉀Q方案的尺寸縮小 30%,并將功耗比早期設(shè)備降低 50%(圖 2)。由于 TPSM53604 的四方扁平無(wú)引線 (QFN) 占位面積的 42% 與電路板接觸,因此與競(jìng)爭(zhēng)的球柵陣列 (BGA) 封裝相比,該封裝可實(shí)現(xiàn)更高效的熱傳遞。TPSM53604 能夠在高環(huán)境溫度(高達(dá) 105°C)下運(yùn)行,以支持工業(yè)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、測(cè)試和測(cè)量、工業(yè)運(yùn)輸以及航空航天和國(guó)防環(huán)境中的苛刻應(yīng)用。

“TPSM53604 是市場(chǎng)上最小的 4A、36V 輸入電源模塊,”Nowakowski 說(shuō)。 “該器件具有高功率密度、出色的熱性能和低 EMI [電磁干擾] 噪聲。我們能夠通過(guò)將電感器和其他無(wú)源元件集成到三維模塊設(shè)計(jì)中來(lái)實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì),同時(shí)解決幾個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)?!?/p>

TPSM53604 電源模塊通過(guò)在可路由引線框架四風(fēng)扇型封裝內(nèi)集成一個(gè)非常高效的 IC 來(lái)解決熱設(shè)計(jì)問題。

氮化鎵技術(shù)

除了改善傳導(dǎo)損耗之外,使用 GaN 還可以通過(guò)提高開關(guān)開啟速度來(lái)顯著降低開關(guān)損耗。提高開關(guān)頻率還可以減小許多大型組件(如變壓器、電感器和輸出電容器)的尺寸。GaN 具有更好的導(dǎo)熱性,并且可以承受比硅更高的溫度。這兩個(gè)屬性都有助于減少對(duì)熱管理組件(如笨重的散熱器和冷卻裝置)的需求,從而顯著減小電源的整體尺寸和重量。

德州儀器 GaN 技術(shù)產(chǎn)品線經(jīng)理 Steve Tom 說(shuō):“頻率越快,磁性越小,電容器越小,密度就越高?!?“GaN 的優(yōu)點(diǎn)在于我們可以更快地切換而不會(huì)產(chǎn)生熱損失,這就是功率密度和效率如此之高的原因。”

一個(gè)主要問題是設(shè)備的可靠性。 “我們已經(jīng)完成了超過(guò) 3000 萬(wàn)個(gè)設(shè)備小時(shí),”湯姆說(shuō)。 “截至今年,我們已經(jīng)處理了 3 GW 的功率轉(zhuǎn)換,以表明我們的設(shè)備具有強(qiáng)大的 SOA。它們非常適合電源和逆變器應(yīng)用?!?/p>

GaN 解決方案系列集成了高速柵極驅(qū)動(dòng)器、EMI 控制、過(guò)熱和過(guò)流保護(hù),響應(yīng)時(shí)間為 100ns。集成器件提供優(yōu)化的布局,以最大限度地減少寄生電感、最大限度地提高共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI,以 dV/dt 為單位)并減少電路板空間。

“我們?cè)?TI 提供的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)之一是我們的 GaN 供應(yīng)鏈,”Tom 說(shuō)。 “TI 擁有 GaN 工藝并運(yùn)營(yíng)從 [外延] 到封裝和測(cè)試的整個(gè)制造流程。然后我們將 GaN FET 與優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)最高速度、最高性能、最高可靠性的系統(tǒng)?!?TI 擁有量產(chǎn)的 150-mΩ、70-mΩ 和 50-mΩ 600-V GaN FET 的完整產(chǎn)品組合。這些器件支持工業(yè)、電信、服務(wù)器和個(gè)人電子應(yīng)用中的高密度設(shè)計(jì)。

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圖 3:GaN 應(yīng)用(圖片:德州儀器)

為了擴(kuò)大 GaN 在汽車、并網(wǎng)存儲(chǔ)和太陽(yáng)能等新應(yīng)用中的應(yīng)用(圖 3),TI 正在展示其自己的對(duì)流冷卻、900V、5kW 雙向 AC/DC 平臺(tái)。 該平臺(tái)可以在沒有冷卻風(fēng)扇的情況下提供 99.2% 的峰值效率,具有可擴(kuò)展的多級(jí)解決方案,適用于 5 kW 和自然對(duì)流。 它包括 LMG3410R050 GaN 和 C2000 數(shù)字控制器,并支持高達(dá) 1.4 kV 的總線電壓。

*本文最初發(fā)表在EDN姐妹刊EETimes歐洲版,參考原文:gan-adoption-rises-for-fpga-power-design.

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