《電子技術(shù)應(yīng)用》
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德儀SWIFT電源轉(zhuǎn)換器助力多核處理器計(jì)算需求

訪德州儀器(TI)模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理趙向源
2016-08-25
作者:于寅虎
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用
關(guān)鍵詞: SWIFT TPS548D22 TSP54A20

       SWIFTTM直流/直流轉(zhuǎn)換器家族是德州儀器針對(duì)36V以上電壓的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品,,該家族產(chǎn)品不斷擴(kuò)充,,如今已經(jīng)形成了從2A-40A電流的工作電流覆蓋,。

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德州儀器(TI)模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理趙向源

日前,,德州儀器(TI)模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理趙向源又向媒體介紹兩款SWIFT家族的最新產(chǎn)品TPS548D22TSP54A20,這是兩款電流能力更高,、高功率密度提升到極限的新產(chǎn)品,。TPS548D22是TI 推出的業(yè)界第一顆單相的降壓處理器,可以處理40-A的持續(xù)負(fù)載電流,。TSP54A20特點(diǎn)是12-V,、10-A,創(chuàng)新點(diǎn)是可以做到10-MHz工作頻率,,這是此前業(yè)界沒(méi)有的,。

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最新SWIFTTM直流/直流轉(zhuǎn)換器家族產(chǎn)品圖譜

多核計(jì)算給電源提出新需求

       趙向源表示,DSP需要更多的電壓值,,不同的DSP對(duì)電壓的要求是不一樣的,。DSP、FPGA,、ASIC是做集體數(shù)據(jù)處理的,手機(jī)的處理器現(xiàn)在是2核,、4核,、8核,核數(shù)越來(lái)越高,、工作頻率越來(lái)越高,,意味著功率越來(lái)越大、電流越來(lái)越大,。針對(duì)這些產(chǎn)品,,電流是比較大的。

       還有第二個(gè)要求,。在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候不可能穩(wěn)定在一個(gè)工作頻率,,不可能一直是最高功率的工作,因?yàn)檫@對(duì)它的功耗沒(méi)有好處,。但是,,也不能最低功耗、最小頻率的工作,,這不能完全體現(xiàn)它的特性,。說(shuō)明它的工作頻率、處理能力是在不斷動(dòng)態(tài)變化的,。體現(xiàn)在電源上,,就是對(duì)電源的負(fù)載能力要求是變化的,,要求每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的工作電流是不一樣的。工作電流是實(shí)時(shí)變化的,。電流變化的時(shí)候,,輸出電壓不能變,體現(xiàn)的就是負(fù)載調(diào)整率的問(wèn)題,。不管電流怎么變,,電壓要保持穩(wěn)定。這也是對(duì)DSP,、FPGA的挑戰(zhàn),,特別是當(dāng)工作電流較大的時(shí)候。有時(shí)候工作電流在1安培,、2安培,,有時(shí)候是20安培、30安培,,在電流跳變的情況下,,怎么保證輸出電壓的穩(wěn)定性,這是針對(duì)DSP等處理器的電源特殊要求,,要快速響應(yīng)比較好的負(fù)載調(diào)整率,。

因?yàn)樗妮斎腚妷旱停斯╇娍赡芫褪?V,、0.8V,、0.9V,甚至更低,,這對(duì)電壓有高精度的要求,。不可能設(shè)定0.8V,一會(huì)兒跳到0.7,、0.9,。因?yàn)殡妷翰煌馕吨ぷ黝l率是在改變的,不能因?yàn)殡娫从绊懼魈幚砥鞯墓ぷ?。是因?yàn)橹魈幚砥餍枰嗌俟β?,電壓供多少功率,而不能因?yàn)殡娫吹淖兓绊懼魈幚砥?,因此這要求輸出電壓比較精準(zhǔn),。

高功率密度和高可靠性

DSP、FPGA優(yōu)化的就是電流能力,?如何做大電流,?如何提高負(fù)載調(diào)整率?如何在電流負(fù)載變化的時(shí)候要保證電壓穩(wěn)定?如何保證輸出電壓的精度,?

多電壓和大電流等需求就給電源轉(zhuǎn)換器提出新挑戰(zhàn),。

比如高功率密度。怎么體現(xiàn)高功率密度,?尺寸要做小,、電流要做大。要想做這么大的高功率密度,,意味著要在很小的尺寸,、很小的封裝里處理很大的能量,這對(duì)效率有很高的要求,。效率不高,,損耗變大,如何處理熱,?也無(wú)從談起在小封裝里處理熱,。如果要提高功率密度,也就是要把尺寸變小,,封裝技術(shù)肯定要不一樣,,才能讓整體的芯片變小。我要處理更大的電流能力,、更高的效率,,同時(shí)放在很小的封裝里,這樣才能體現(xiàn)高功率密度,。

另外一個(gè)特性是高性能,,指的是輔助特性、更全的保護(hù),。因?yàn)橛迷诠I(yè)環(huán)境里,甚至用在汽車(chē)?yán)?,安全,、可靠、穩(wěn)定肯定是芯片首要考慮的,。趙向源表示,,我們要放很多的域量、保護(hù),,包括電流的保護(hù),、電壓的保護(hù)、溫度的保護(hù),,處理各種故障信息,。

趙向源還提到德州儀器的PMBus選配方案,PMBus就是比較簡(jiǎn)單、簡(jiǎn)易的數(shù)字電源,。PMBus來(lái)源于數(shù)字通信的協(xié)議,,只是簡(jiǎn)單處理,專(zhuān)門(mén)優(yōu)化成針對(duì)電源的協(xié)議,,也就是數(shù)字電源,。既然是數(shù)字電源,一般情況下都會(huì)開(kāi)發(fā)與之配套的簡(jiǎn)易圖形界面,。大家通過(guò)這個(gè)圖形界面,,可以在里面輸出配置信息、編程,,甚至可以主動(dòng)采集外界的信號(hào),,包括電壓信號(hào)、電流信號(hào),、溫度信號(hào),,做電源管理、熱管理,、故障管理,,這就是數(shù)字電源的好處。工業(yè)4.0需要自動(dòng)化,、智能化,,肯定離不開(kāi)電源的數(shù)字化。

TPS548D22:?jiǎn)蜗嘟祲嚎商峁?0A負(fù)載電流

目前,,給40A的負(fù)載提供電流已經(jīng)很常見(jiàn)了,,在TPS548D22出現(xiàn)之前業(yè)界的轉(zhuǎn)換器單相均可以支持最高35A的電流,因此需要兩路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)40A負(fù)載電流的支持,,這意味著控制是分兩端,,外圍需要兩套器件,特別是需要兩個(gè)電感,。整個(gè)系統(tǒng)里,,磁性元器件的體積是最大的,要兩個(gè)電感,,最終電源部分導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)小型化,。

趙向源表示,德州儀器的工程師考慮推出一個(gè)單相40A可以替代市場(chǎng)上傳統(tǒng)的多相方案,,目的還是為了減小尺寸,、提高功率密度。

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這就需要開(kāi)發(fā)出全面集成的單相同步轉(zhuǎn)換器,。為什么提到全面集成,?前面講到有兩個(gè)電感的,,業(yè)界還有一個(gè)方案就是用控制器,外面掛很多MOSFET管,。這也是一種方案,。這個(gè)方案的電流處理能力很強(qiáng),非常簡(jiǎn)單,。但是,,問(wèn)題是它是分離的方案,一個(gè)控制器外面掛這么多的MOSFET管,,它的體積更大,,同時(shí)對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)不是簡(jiǎn)單好用的,不但要選控制器,,還要選MOSFET管,,而且MOSFET管的處理又是非常復(fù)雜的。

于是我們把MOSFET管集成在芯片里面,,推出了第一顆集成MOSFET管的單相處理器,,而且持續(xù)達(dá)到40A。

第二個(gè)特點(diǎn)是最高的整體輸出精準(zhǔn)度,。DSP等多核處理器的供電需要很高的電壓精度,。如果精度不高,電壓變化,,那么處理器的處理頻率也會(huì)跟著變化,。德州儀器做到了全溫范圍-40度至125度,正負(fù)0.5%,。業(yè)界只能做到常溫下的正負(fù)0.5%,,或者全溫下1%或1.5%。

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為了保證精確度,,德州儀器使用了獨(dú)有的差分遠(yuǎn)端檢測(cè)技術(shù),,直接檢測(cè)輸出的最后,直接檢測(cè)負(fù)載端的電壓,,進(jìn)行反饋,。將PCB走線上的壓降損耗考慮在內(nèi),讓輸出電壓保持穩(wěn)定,。不光是芯片端保持穩(wěn)定,,還可以保持系統(tǒng)端的電壓穩(wěn)定,。通過(guò)這種技術(shù)可以保證整體的精確度,。

第三,這個(gè)產(chǎn)品用到了比較新的控制技術(shù)D-CAP3,,從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的特點(diǎn),。

據(jù)趙向源介紹,,D-CAP3控制模式可以實(shí)現(xiàn)比較好的動(dòng)態(tài)。對(duì)于傳統(tǒng)的電流模和電壓模,,需要補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),。經(jīng)過(guò)一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),相當(dāng)于加了一級(jí)濾波,,信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生延時(shí),。輸出突然跳變,加了延時(shí),,再反應(yīng)就需要一定時(shí)間,,不可能馬上響應(yīng),為了保持輸入穩(wěn)定,,時(shí)間是相當(dāng)長(zhǎng)的,。對(duì)于COT來(lái)說(shuō),不需要補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),,負(fù)載的變化可以瞬間感受到,,馬上進(jìn)行控制,使負(fù)載控制率非常好,。10-A變成20-A,、10-A變成40-A,可以馬上感受到,,并進(jìn)行調(diào)節(jié),。這也是獨(dú)特的控制模式的優(yōu)點(diǎn),可以讓外圍更加簡(jiǎn)單,、讓負(fù)載調(diào)控更好,。大電流、高精度,、好的負(fù)載調(diào)控,,這就是怎么讓DSP、ASIC更好工作的電源要求,。所有的設(shè)計(jì)優(yōu)化都是基于系統(tǒng)要求的,。

TPS54A20:以10MHz頻率工作的12V/10A轉(zhuǎn)換器

趙向源很自信地表示,這個(gè)產(chǎn)品的特點(diǎn)是12V,、10A,,創(chuàng)新是可以做到10MHz頻率,這是業(yè)界沒(méi)有的,。它的高功率密度可達(dá)50A/cm3,,是目前業(yè)界其它電源解決方案的4倍。

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它的占用面積最小,,利用TotRod封裝技術(shù),。利用這種封裝,,可以將尺寸做得非常小,10A,、10MHz,,做到3.5MHz小,面積是業(yè)界同類(lèi)產(chǎn)品尺寸的二分之一,,小于一半,。

第三個(gè)是高度。這個(gè)產(chǎn)品芯片的高度是1mm,,整個(gè)方案最高的高度是電感,,只有1.2mm。

業(yè)界的水平是什么樣的,?如果不用10MHz,,只用500K,意味著要用4.8mm額的高度,,而TPS54A20只有1.2mm,。

趙向源表示,現(xiàn)在刀片式服務(wù)器都是模塊化生產(chǎn),,服務(wù)器的很多處理器都是插卡式的,。還有大家比較熟悉的內(nèi)存卡,也是插進(jìn)去的,。器件只能放在板子的一面,,另外一面是不能放東西的。因?yàn)榱硗庖幻娣艝|西就插不進(jìn)去,。針對(duì)這個(gè)情況,,TPS54A20做到了業(yè)界最小的1.2mm,使可插槽變成可能,,背面也可以放產(chǎn)品,,這樣讓系統(tǒng)板的尺寸變得更小。

最后一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是最高的運(yùn)行頻率,。對(duì)于12-V,、10-A的產(chǎn)品,業(yè)界比較多的就是500KHz,,最高是1MHz,,直接用到了10MHz,是用比較新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的,,這個(gè)產(chǎn)品的關(guān)鍵是功率密度是業(yè)界的4倍,,而且是高度最低的,也是業(yè)界的四分之一,。

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趙向源表示,,我們使用的是比較獨(dú)特的控制模式。這是一個(gè)降壓控制器,,在里面加了一個(gè)串聯(lián)電容,,這是跟業(yè)界其它降壓處理器不同的地方。不要小看這一個(gè)電容,。加了這一個(gè)電容,,才能實(shí)現(xiàn)10-MHz,才能做到高效,、高頻,。

首先,加了10-MHz,,電容的電壓只需要是輸出電壓的二分之一,,比如12V轉(zhuǎn)1V,電容電壓只有6V,,因此MOSFET管上的電壓只需要6V,,這給系統(tǒng)帶來(lái)的效率更高,安全性也更高,。

第二,,我們的產(chǎn)品是兩相的,只需要兩個(gè)電感,,兩相是交錯(cuò)工作的,,頻率是10MHz,對(duì)于每一相來(lái)說(shuō),,只需要5MHz,,也可以?xún)?yōu)化效率。因?yàn)镵方頻率過(guò)高,,意味著損耗更多,。通過(guò)這種工作模式,電壓降低,,頻率下降5MHz也成為可能,。

這個(gè)芯片是德州儀器的專(zhuān)利技術(shù),把最小導(dǎo)程時(shí)間做到了14納秒,,目前業(yè)界最低水平也就是30納秒,。只有做到14納秒才能讓10MHz成為可能。10MHz意味著每個(gè)K方周期只需要100納秒,,如果是12V轉(zhuǎn)1V,,小于十分之一,導(dǎo)程時(shí)間只有十幾,、二十個(gè)納秒,。

       趙向源最后總結(jié)到,,這兩個(gè)產(chǎn)品都是德州儀器在電源管理領(lǐng)域創(chuàng)新的表現(xiàn),利用創(chuàng)新技術(shù)引領(lǐng)整個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新,。產(chǎn)品的創(chuàng)新最終體現(xiàn)在終端客戶(hù)產(chǎn)品的創(chuàng)新,,終端客戶(hù)產(chǎn)品的創(chuàng)新改變著每個(gè)人的生活,這是我們的初衷,。

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