Computação de alto desempenho, armazenamento, equipamentos de rede, equipamentos de teste industriais e automatizados estão migrando para módulos digitais de energia devido a restrições de espaço e demandas por correntes mais altas. Os níveis de corrente exigidos por ASICs, FPGAs, DSPs e memória modificados continuam a aumentar devido ao aumento da funcionalidade exigida nesses dispositivos. Os desenvolvedores também esperam mais recursos de proteção de sua rede de fornecimento de energia para garantir um projeto robusto no nível do sistema. Este artigo destaca os benefícios de usar um módulo digital de energia em seu próximo projeto.
Embora os módulos de energia não sejam novos no setor, seu uso está se tornando mais difundido à medida que os sistemas se esforçam para diminuir o volume e a área ocupada. Como resultado, o espaço de placa alocado para circuitos de energia diminui à medida que os sistemas buscam uma maior integração. A Figura 1 mostra uma ilustração da mudança da fonte de alimentação discreta para a implementação do módulo de alimentação.
Algumas áreas de aplicação dos módulos de potência incluem circuitos de alta complexidade, limitações de espaço rigorosas e projetos de alta corrente onde a densidade de potência é de extrema importância. Ao integrar os vários componentes de um projeto de fonte de alimentação em um único produto compacto, uma solução simples e fácil de usar pode ser muito atraente e útil em tais aplicações. Além de um design pequeno e compacto, há uma mudança de preferência para produtos habilitados para PMBus, onde a tensão de saída, a frequência de comutação, os parâmetros de compensação de loop podem ser facilmente alterados através da GUI.
Além disso, o produto também deve conter os vários recursos de proteção que protegem a si mesmo, bem como os circuitos a jusante. Alguns dos recursos de proteção incluem proteção contra sobretensão e subtensão, proteção contra sobrecorrente positiva e negativa e proteção contra sobretemperatura. Tudo isso também deve ser facilmente acessível para ser modificado pelo usuário na GUI por meio do PMBus.
Como um exemplo, o RAA210130 como um módulo de alimentação de 4,5 V a 15 V CC-CC totalmente habilitado para PMBus é capaz de fornecer até 30 A de corrente a partir de um pacote BGA compacto termicamente aprimorado de 10 mm x 13 mm x 7,8 mm. O módulo é composto por um controlador totalmente digital, um Smart Power Stage (SPS) com MOSFET superior e inferior, fontes de alimentação internas para alimentar o controlador e o SPS e um indutor de filtro, tornando este módulo uma fonte de alimentação robusta e auto-suficiente.
O módulo implementa o esquema de modulação de corrente digital sintética da patenteada Renesas para obter excelente resposta transitória, facilidade de ajuste e eficiência em toda a faixa de carga. Isso atinge uma variação total de tensão de saída menor e com menos capacitância de saída do que os controladores PWM tradicionais. Com componentes externos mínimos, configuração simples, gerenciamento robusto de falhas e capacidade de regulação altamente precisa, a implementação de um regulador de alto desempenho nunca foi tão fácil.
Uma interface PMBus padrão com compatibilidade PMBus V1.3 facilita a configuração do dispositivo, endereça o sequenciamento e o gerenciamento de falhas, fornece telemetria completa em tempo real e monitoramento de ponto de carga e relatórios detalhados de falhas. Todos esses recursos são convenientemente acessíveis por meio da ferramenta de software PowerNavigator™. Um esquema de proteção de corrente, tensão e temperatura totalmente personalizável ciclo a ciclo é capaz de travar ou reiniciar a saída em resposta a falhas do sistema.
A Figura 2 mostra a comparação entre (a) solução discreta e (b) implementação do módulo de potência.
(a)
(b)
1. Desempenho
O RAA210130 oferece excelente eficiência em toda a faixa de carga. A Figura 3 mostra a eficiência vs. corrente de carga em VIN = 12V, com (a) alimentação interna e (b) externa de 5V e 3,3V onde o pico de eficiência é de 95,5%. Além da excelente eficiência, o RAA210130 também oferece uma resposta transitória impressionante. A Figura 4 mostra a excelente resposta transiente em VIN=12V, VOUT = 0,8V, com uma carga de 30A, onde o undershoot/overshoot de VOUT inferior a ±2,5% pode ser alcançado. A Figura 5 mostra a resposta transiente em VIN=12V, VOUT = 3,3V, com uma carga de passo de 15A, onde o undershoot/overshoot de VOUT inferior a ±1% pode ser alcançado.
(a)
(b)
2. Recursos de proteção
O RAA210130 inclui um extenso sistema de gerenciamento de falhas que se integra a controladores host de alto desempenho, suportando gerenciamento remoto de sistema sem precedentes e capacidade de depuração. Se ocorrer uma condição de falha, o controlador desativa o pino PG e alerta o host usando o pino nPMALERT. A proteção contra falhas catastróficas (CFP) pode ser configurada opcionalmente para confirmar falhas selecionadas para medidas de proteção adicionais no nível do sistema. O RAA210130 também fornece uma Black Box, que é um gravador com extenso registro de falhas para suportar depuração no nível do sistema. Os controles de falha são habilitados independentemente e as respostas de falha associadas são configuráveis pelo usuário.
2.1 Sinal de boa potência
O pino PG é uma saída de dreno aberto e boa potência que indica a conclusão da sequência de partida suave e a tensão de saída está dentro da faixa de regulação esperada. Se ocorrer uma falha ou quando o trilho for desabilitado, o pino PG será puxado para baixo.
2.2 Proteção contra sobretensão/subtensão
A tensão de saída é medida diferencialmente nos pontos de detecção de carga para regulação, e a mesma medida é usada para OVP e UVP. A Figura 6 mostra um diagrama de blocos OVP/UVP simplificado. As comparações de tensão de saída são feitas no domínio digital.
O dispositivo responde a uma condição de sobretensão ou subtensão de saída desabilitando a saída, declarando uma falha, definindo o pino PMALERT, puxando o pino PG para baixo e, em seguida, pulsando o LFET até que a tensão de saída caia abaixo do limite. A saída não reinicia até que o pino EN seja reiniciado (a menos que o dispositivo esteja configurado para tentar novamente).
O RAA210130 também possui proteção de detecção de pino aberto para detectar uma abertura do circuito de detecção de tensão de saída. Se esta condição for detectada, a operação do módulo é suspensa.
2.3 Proteção de Sobrecorrente de Saída
O RAA210130 oferece um esquema de proteção de sobrecorrente abrangente que monitora a corrente de saída total, corrente de fase de pico e corrente de fase de vale. O esquema permite que o usuário elimine a saturação do indutor e limite a corrente total de saída. Os tipos de resposta de desligamento e repetição para falhas de OC são suportados. A configuração de resposta se aplica a todos os mecanismos de falha de corrente de saída, como sobrecorrente de pico de fase e sobrecorrente de saída total.
A Figura 7 mostra o diagrama de blocos do esquema de proteção de sobrecorrente de saída.
O módulo é protegido contra sobrecorrente e subcorrente usando um esquema pulso a pulso que atua instantaneamente em um sinal PWM se a corrente do indutor detectada atingir seu limite. Os limites para sobrecorrente e subcorrente (corrente negativa do indutor) permitem que o usuário limite precisamente a corrente de fase para evitar a saturação do indutor. O comportamento de limitação de corrente pode ser configurado para desligar o dispositivo após um número de eventos consecutivos determinado pelo usuário ou continuar indefinidamente. Se configurado para continuar indefinidamente, o conversor se comporta como uma fonte de corrente. A Figura 8 e a Figura 9 mostram a limitação de corrente OC e UC quando o dispositivo é configurado para desligar após um número finito de eventos consecutivos.
O RAA210130 também suporta limites totais de corrente de saída que possuem atraso de resposta ajustável pelo usuário. Os dois limites de soma de corrente, rápido e lento, permitem ao usuário liberar alta corrente máxima de saída por um período de tempo mais curto e corrente de saída mais baixa por um período mais longo. O atraso de resposta para os mecanismos de limitação também é ajustável. Esses mecanismos não restringem a corrente máxima de saída até que a corrente tenha excedido um limite para o tempo de atraso de resposta. A Figura 10 mostra o esquema de proteção da corrente total de saída.
2.4 Proteção Térmica e nVRHOT
O RAA210130 suporta um esquema abrangente de alerta térmico e proteção. Ele monitora a temperatura do SPS e suporta falhas de temperatura muito alta e baixa, além do aviso de temperatura alta. A temperatura do controlador é monitorada para suportar telemetria e desligamento térmico. O desligamento ocorre a aproximadamente +130°C. O pino nVRHOT é usado no nível do sistema para informar ao dispositivo alimentado que seu consumo de energia deve ser reduzido. O nVRHOT é uma saída de drenagem aberta; é necessário um resistor pull-up externo. Este sinal é válido somente após a habilitação do controlador. O nVRHOT é reduzido quando a temperatura detectada atinge o limite PMBus OT_WARN, fornecendo ao dispositivo alimentado um aviso prévio do status térmico do controlador.
A Figura 11 mostra o comportamento do nVRHOT e um desligamento por falha de temperatura alta.
2.5 Proteção contra falhas catastróficas
O pino CFP suporta a funcionalidade de proteção contra falhas catastróficas (CFP). O pino pode ser configurado para ser ativado no caso de uma detecção de falha catastrófica. A função é normalmente usada para desativar imediatamente a alimentação de entrada para proteger todo o sistema. A função CFP pode ser configurada para responder a falhas de sobretensão de saída, sobretensão de entrada e/ou sobrecorrente de saída.
2.6 Gravador de Caixa Preta
A Black Box é uma poderosa ferramenta de diagnóstico que captura todas as informações de telemetria e status quando ocorre alguma falha. O RAA210130 monitora continuamente as informações do trilho, juntamente com o seu tempo de duração, e a ferramenta captura esses dados quando uma falha é registrada. A ferramenta relata o primeiro bit de falha que ocorreu para causar o desligamento. Esses dados de diagnóstico são armazenados na RAM e o Black Box pode ser configurado para gravar adicionalmente no NVM para recuperação quando o sistema perder a energia de entrada e ocorrer uma falha. O registro de RAM é atualizado sempre que ocorre uma falha. A Black Box pode gravar no NVM até 10 vezes e oferece uma opção para limitar a gravação do NVM a uma vez por ciclo de energia para evitar preencher o espaço disponível do NVM inadvertidamente.
3. Conclusão
Há uma tendência crescente de preferência por um tamanho reduzido, facilidade de uso e conversor step-down DC-DC totalmente habilitado para PMBus. Embora seja capaz de obter uma excelente resposta transitória e manter uma boa eficiência em toda a faixa de carga, a compatibilidade com a interface PMBus padrão ajuda a simplificar a configuração do dispositivo, o sequenciamento de endereços, o gerenciamento e relatórios de falhas, a telemetria completa e o monitoramento do ponto de carga. Em termos de proteção, é necessário que o produto ofereça um esquema de proteção ciclo a ciclo totalmente personalizável de proteção de corrente, tensão e temperatura. O RAA210130 é uma incorporação de todos os recursos mencionados acima para suas necessidades de aplicação.
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