输出电流能力高达250A的可扩展智能DC/DC电源模块

MPS资深应用工程师 Heng Yang

无线网络和数据中心带宽的增加,驱动了高性能FPGA和ASIC应用的快速发展,而这些应用均要求具备高功率密度、快速负载瞬态响应和智能电源管理功能的电源稳压器。MPS带集成电感的先进MPM3695系列电源模块为FPGA 和ASIC应用提供了通用的供电解决方案。与分立式负载点 (POL) 解决方案相比,MPM3695系列可以提供高达60%的功率密度,它简化了PCB布局和功率级设计,只需最少的外部组件以及对电源变换器和补偿网络设计的最低专业知识要求。凭借着采用先进封装技术的电源IC单片结构和定制集成电感设计,MPM3695系列电源模块可比同类产品节省高达40%的占板面积。

实现高功率密度

FPGA和ASIC应用的更高功率密度趋势对电源模块设计提出了挑战。紧凑型的电源模块本质上需要高效的运行和良好的散热管理。MPM3695系列采用引线框架封装技术实现了从功率模块到PCB的直接高效散热,从而优化了封装尺寸和电流处理能力。该系列提供四种电源模块,分别针对不同的输出电压和电流范围量身定制。

MPM3695-25是其中一款25A智能降压电源模块,具有3.3V至16V输入电压范围和0.5V至5.5V输出电压范围。通过堆叠多个MPM3695-25,输出电流最高可扩展至250A。MPM3695-25的顶部和底部如图1所示。MPM3695-25 采用 10mmx12mmx4mm QFN 封装,它集成了一个单片降压变换器和一个电流处理能力高达25A的电感器。其功率密度达2.25kW/inch3,是25A级别中功率密度最高的市售电源模块之一。MPM3695-25的高效运行成就了其高功率密度。它在12V输入时的效率曲线如图2所示。该器件在3.3V输出电压时达到94%的效率峰值,在主要工作范围内效率均超过80%。

图1: MPM3695-25, 25A电源模块

图1: MPM3695-25, 25A电源模块

图2: MPM3695-25在12V输入时的效率曲线

图2: MPM3695-25在12V输入时的效率曲线

MPM3695-10是另一款超薄10A降压电源模块,其输出电流可扩展至高达 60A。1.6毫米的高度使该电源模块能够放置在PCB的底部,从而为高密度设计节省宝贵的电路板空间。MPM3695-10的顶部和底部如图3所示。MPM3695-10的输入电压范围为3.3 V至14V,输出电压范围为0.5 V至3.3V。它采用紧凑的8mmx8mmx1.6mm QFN封装,功率密度达3.7kW/inch3.

除此之外,MPM3695 系列还提供两个效率增强型版本:MPM3695A-25和MPM3695A-10,其输出电压范围在0.5 V至1.8V之间。

图3: MPM3695-10,超薄10A电源模块

图3: MPM3695-10,超薄10A电源模块

FPGA和ASIC的动态负载在本质上要求电源稳压器具备快速瞬态响应,以满足内核电源的电压要求。在负载瞬变期间维持输出电压需要输出电容器,其占据了相当大的电路板面积。而MPM3695系列采用多相恒定导通时间 (MCOT)专利控制方案,可以最大限度降低对输出电容器的需求。MCOT控制使电源模块能够在瞬态事件期间动态调整开关频率,从而最大限度地降低了对输出电容器的能量需求。在稳态操作下,MCOT控制保证了多相配置的交错操作,也使输入和输出电流纹波最小化。此外,MCOT控制方案无需采用传统电流和电压模式控制方案中使用的复杂补偿网络,因此简化了变换器的设计。图4显示了在25%负载电流阶跃和200A/µs斜率下,MPM3695-10模块的实验波形。该器件具有1.2V输出电压,评估板上只安装了两个 47µF 输出电容器。如波形结果所示,在负载电流瞬变期间,两个47μF输出电容器即可保持±3%或更佳的输出电压偏差。

图 4:具有1.2V输出的MPM3695-10在25%负载阶跃下的实验波形

图 4:具有1.2V输出的MPM3695-10在25%负载阶跃下的实验波形

可扩展智能电源模块

MPM3695系列采用模块化和可扩展的设计理念,每个模块都是一个带集成电感的独立电源变换器模块,可以轻松堆叠以处理更大电流。图5展示了MPM3695系列并联和智能特性的概念图。其模块化特性简化了PCB布局和功率级设计,最大限度地缩短了开发提前期。设计工程师可以针对具有不同电流要求的各种电压轨,轻松拷贝相同的布局设计。另外,模块化设计还最大限度地减少了需要维护的部件数量,降低了拥有成本。

图5: MPM3695系列具有可扩展性和可编程能力

图5: MPM3695系列具有可扩展性和可编程能力

MPM3695系列先进的智能特性使其能够与智能电源管理系统完美配合。如图5所示,MPM3695系列支持PMBus 1.3,电源模块能够报告其运行状况和健康状态(包括电压、电流、温度和各种故障报警)并接收来自主机的命令。MPM3695系列同时具备许多重要功能的可编程性,例如故障阈值、开关频率、时序和导通模式,另外还支持实时导通/关断控制和输出电压设置。搭配MPS开发的用户友好图形用户界面 (GUI) Virtual Bench Pro,MPM3695系列还可提供定制服务,以满足各种应用需求。

结语

当今的FPGA 和电信应用均要求快速上市、高功率密度和具备智能电源管理功能的电源解决方案,而MPM3695系列电源模块完美契合该需求。该系列产品的模块化特性最大限度地减少了原理设计和布局设计工作。其创新的MCOT控制方案不要求工程师具备设计复杂补偿网络的专业知识。可编程能力和电源管理功能使MPM3695系列适合于各种应用。