Conversione DC/DC: topologie, soluzioni e applicazioni

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1 Conversione DC/DC: topologie, soluzioni e applicazioni 15 Febbraio 2012 Università di Pisa Dipartimento di Elettronica

2 Linear Technology Corporation Leonardo curradi- FSE Italia Cell.:

3 Portafoglio prodotti

4 Linear Technology Corporation Maurizio Pogliani - FAE Italia mpogliani@linear.com Cell.:

5 Hardware needs POWER

6 Complessità di progettazione High Speed Data Interface Processor DSP Analog Front End FPGA E il tutto deve entrare qui dentro

7 I nemici del Power Supply

8 I nemici del power supply Limitazione di spazio Integrità dei dati delle interfacce (analogiche e digitali) Immunità alle emissioni (condotte e radiate) Esigenza di differenti livelli di tensione Dissipazione Temperature di giunzione dei dispositivi e della scheda Tempi di sviluppo Le specifiche di alimentazione vengono date per ultime (solitamente alla fine del progetto!)

9 Specifiche dei DC/DC converter Range di tensione e potenza Ripple di uscita e ingresso Rumore a basse e alte frequenze Risposta ai transitori Rendimento e dissipazione termica Sequencing/Tracking/Margining PCB Layout V IN + V + A I IN DC / DC + A I OUT + V V OUT

10 Specifiche dei DC/DC converter Non sempre Vin > Vout +5V +3.3V DC/DC Buck converter (step-down) Vin < Vout +5V +12V DC/DC Boost converter (step-up) Vin = positiva vs GND -> Vout = negativa vs GND +5V -12V DC/DC Boost converter (Inverting) CUK converter (Inverting SEPIC) Vin < Vout > Vin +2.5V/+4.2V DC/DC +3.3V SEPIC converter Buck-boost (4-switches) converter

11 Specifiche dei DC/DC converter Non sempre Vin e Vout hanno stesso riferimento di GND +5V +3.3V DC/DC Soluzioni isolate: topologie differenti = f (potenza erogabile)

12 Quali topologie scegliere? Regolatori lineari Facili da progettare e usare No magnetics Basso rumore (no ripple!) Basso rendimento Regulatori switching Alti rendimenti Piccolo ingombro No heat sinks! Rumore di switching Ripple di corrente e tensione in uscita Più complicato

13 Anatomia di un Regolatore Switching Buck (step-down), Vin > Vo Controller S1 L1 * DC: S1 duty cycle Vin C1 D1 C2 R L Output: V out = V in DC * Condensatore d ingresso (C1): riduce il ripple di corrente verso la sorgente d ingresso Switch (S1): provvede al trasferimento dell energia proveniente dalla sorgente verso il carico, commutando a una determinata frequenza e duty-cycle. Diodo di ricircolo o di freewill (D1): consente la circolazione di corrente rilasciata dall induttore quando lo switch è aperto (tipicamente è un diodo Schottky) Induttore (L1): immagazzina l energia da trasferire al carico Condensatore d uscita (C2): riduce il ripple di corrente sul carico La funzione di switching del MOSFET e l uso di un induttore permettono di ottenere rendimenti molto più alti ed elevati rapporti Vin/Vout, anche a correnti di carico elevate.

14 Anatomia di un Regolatore Switching Buck (step-down), Vin > Vo Controller S1 L1 Vin C1 D1 C2 R L Output: V O = V IN DC * * DC: S1 duty cycle NOISE: High dv/dt and di/dt Due fasi dello switch: T = Ton + Toff = 1/fsw DC = Ton/T Ton = interruttore chiuso Toff = interruttore aperto C 2 Iout Ripple Input Current t0 Ton Toff T = 1/fsw t0 Ton Toff T = 1/fsw

15 S2 ESR C in DC S1 duty cycle DC: Vout Vin I L ; Ton T DC 1 fsw Peak inductor current: Ipk Iout 2 Output ripple ΔV OUT : ΔV OUT =R ESR,C1 * ΔI L (e.g. tantalum) ΔV OUT = ΔI L /(8*f sw *C1) (e.g. ceramics) I L 0,5 DC Inductor ripple current ΔI L : Vin Vout Vout Ton Toff L L Good choice for L: ΔI L 30%* I out 0 00,51 Details: See AN19, AN44

16 Synchronous Switching Buck Controller Id Caratteristica DIODO Pd Vf Id Pd 0.5V 5A 2. 5W V IN Main Switch Synchronous Vf Rectifier V O Esempio: Vin = 5V Vout = 3.3V Iout = 5A fsw = 400kHz Un MOSFET sostituisce il diodo Schottky Rendimento migliora Pd Pcond Psw Pgc 2 Pcond Rdson Ids Psw f Ipk, fsw, DC, Vin,, Idriver, Qgs, Coss Pgc f fsw, Qg, Vdrive 0. xw FDW256P Pcond 0.46W Psw 0. 63W Pgc 0. 09W Pd 1. 2W Caratteristica MOSFET

17 Comparazione dei rendimenti linear LINEAR regulator 1A 1A 12V 5V LOAD buck regulator diode 1st GEN rectification SW REG 0.52A 1A 12V 5V LOAD buck regulator SYNCHRONOUS synchronous rectification SW REG 0.44A 1A 12V 5V LOAD 5 x 1 Eff. = 12 x 1 x 100 = 42% (P IN P OUT ) = 7W Eff. = 5 x 1 12x0.52 x 100 = 80% (P IN P OUT ) = 1.2W Eff. = 5 x 1 12x0.44 x 100 = 95% (P IN P OUT ) = 0.3W

18 Switching Frequency 40kHz to 4MHz L alta frequenza di switching riduce dimensioni e costi (L&C) L alta frequenza reduce le dimensioni dei filtri Rendimento ridotto a causa delle perdite di switching ( fsw*v 2 ) Tutti i DC/DC richiedono un layout accurato!

19 Esempio di dimensioni e costi in funzione della fsw Sw freq. 40kHz 100kHz 500kHz 1MHz C in 220µF Tantalum D-Case 100µF Tantalum C-Case 10µF Ceramic µF Ceramic 1210 $0.5 $0.35 $.18 $.15 L 120µH ($0.50) 56µH ($0.38) 10µH ($0.21) 4.7µH ($.18) 14X14mm 10X10mm 5X5mm 4X4mm Diode SAME SAME SAME SAME C out 470µF Tantalum D-Case $ µF Tantalum C-Case $0.3 22µF Ceramic 1210 $.18 10µF Ceramic 1206 $.12 Board Area.35 sq. in..22 sq. in..11 sq. in..08 sq in. 3.9x 1MHz 2.6x 1MHz 1.3x 1MHz Cost ext. $1.50 $1.03 $0.57 $0.45

20 Dimensioni dei componenti vs fsw 22µH 10µH 4.7µH 2.2µH 1µH 220µF 100µF 22µF 6.8µF 4.7µF Frequency

21 Un esempio reale (come realizzarlo in pratica?) Design Requirements: Dual DC / DC Total 5.0A 0.5A 2.5A DC / DC DC / DC 3.0A 1.9A 0.4A 0.4A 3.3A 0.9A 2.5V 3.3V 1.2V 2.5V 1.8V 0.9V VIN 12V ±10% VOUT1 5A VOUT2 3A Ripple pp max 30mV η >90% Temp C Loadstep % max 100mV overshoot Short circuit stable Sequencing VOUT1 before VOUT2 EMI compliant EN55022 Reliability < 1000FIT Select Topology & IC Select L s and C s Select FETs Optimize the Parameters Layout Power ON - and? $#!$@*, that was close!

22 Soluzione: Vin to and Operating mode selector Controller Chip Boost circuit for upper FET Rsense or DCR sense Basic Input Filter 3.3V Rail Sense & Controller Loop Adjustment Inductor Output CAP Filter 2.5V Rail Conventional Dual MOSFETs Tracking

23 Step 1: Scegliere topologia & IC Buck Topology Monolithic vs. Controller VIN & VOUT range Current vs. Voltage Mode Single vs. Dual Desired SW frequency Additional features: (i.e. Synch, Track, Run, Power good etc.)

24 Step 2 : scegliere L&C in uscita

25 Selezione L&C: Corrente di ripple del regolatore switching DC current Inductor Ripple Current (CCM) AC current Ripple frequency is same as the DC/DC s switching Frequency VOUT Ripple: Shape and Value is dependant on Output Cap Parameters Low ESR is preferable and needs enhanced DC/DC controller design to keep stable CAP Equivalent Circuit

26 Step 3: Selezionare i MOS e calcolare le perdite

27 MOSFET Basics & Selection MOSFET cell structure N- / P-channel V DS max R DS on I D max Q G s V GS thr F switch R dson = R dson,sp / n cell Loss relative Percentage (%) Q g = Q g,sp n cell Q gs = Q gs,sp n cell Q gd = Q gd,sp n cell

28 Step 4 : ottimizzare il loop

29 Feedback Loop (1) Principio Vout (100mV/div) Vin power stage Vout Iostep (4A/div) Load Step Duty cycle control - Ref Bode Plot

30 Feedback Loop (2) DC/DC Details (Voltage Mode) L r c V in d PWM C R V o v o d slope comp K ref (s) R 2 C 2 EAIN Comparator v c ITH i gm g m v eain R 1 C 1 R th R o Cthp Vref C th Error Op-Amp

31 Feedback Loop (3) DC/DC Details (PWM) OSCILLATOR RAMP FEEDBACK SIGNAL REF VOLTAGE - E/A + COMMAND - OUTPUT + STAGE PWM COMPARATOR SWITCH DRIVE OSCILLATOR RAMP CONTROL ON SWITCH DRIVE OFF

32 Feedback Loop (3) DC/DC Details (Voltage Mode) L r c V in d PWM C R V o v o d slope comp K ref (s) R 2 C 2 EAIN Comparator v c ITH i gm g m v eain R 1 C 1 A( s) g m R o (1 1 s s po s s thz ) (1 s s thp ) R th R o Cthp Vref C th Error Op-Amp

33 Feedback Loop (4) DC/DC Details (Current Mode) L R sense r c V in d PWM K i C R V o v o d slope comp i L feedback K ref (s) R 2 C 2 EAIN Comparator v c ITH i gm g m v eain R 1 C 1 A( s) g m R o (1 1 s s po s s thz ) (1 s s thp ) R th R o Cthp Vref C th Error Op-Amp

34 Step 5 : realizzare il layout 3.3V Rail 2.5V Rail

35 PCB Ormai c è l Autorouter

36 PCB Ormai c è l Autorouter

37 Layout Pianificare Identificare i percorsi con correnti continue o pulsanti Prestare particolare attenzione alle correnti pulsanti e ai nodi con alti dv/dt Evitare di creare elementi parassiti! Continuous Current Pulsating Current SW High dv/dt node PCB Impedance PCB Via impedance

38 Layout 4-Layer PCB Piazzamento dei Layer Reference Layer current Layer #1 Power Component Layer #2 GND Layer #3 Small Signal Layer #4 Small signal / controller High current loop Pulsating current loop PCB capacitance

39 Step 6: design for EMI testing Switch Node Ringing ~150MHz Noise on Output Inductor Current Noise Reflected to Input

40 Optimized Layout Example: Demo Circuit Top view Bottom view

41 Cercate il vostro ZEN Resistor Divider Very Simple No regulation Low efficiency Dumb Simple Linear Regulators Simple Low noise Few components Low power Difficult Simple Difficult Simple Monolithic Switchmode Regulators More components than LR Layout considerations Mid-to-high power More efficient Switchmode Controller Regulators More components than monolithic More complex layout Mid-to-very high power, efficient Simple Difficult Difficult

42 Example FPGA Power Supply 1 st Voltage Regulator Core Voltage V CCint = ~2A 2 nd Voltage Regulator I/O Voltage FPGA V l/o = ~1,5A V CCaux = ~0,5A Input Power Supply (12V) 3 rd Voltage Regulator Auxiliary Voltage Reset Voltage Supervisor V REF Voltage Reference Sequencer (optional) 4 th Voltage Regulator DDR SDRAM V RAM = ~20mA

43 Discrete FPGA Supply (1 IC per Rail) 1 st Voltage Regulator 1 IC 4 Capacitors 4 Resistors 1 Diode 1 Inductor 2 nd Voltage Regulator 1 IC 4 Capacitors 4 Resistors 1 Diode 1 Inductor 3 rd Voltage Regulator 1 IC 3 Capacitors 2 Resistors 1 Diode 1 Inductor

44 FPGA Supply with Triple Output DC/DC with integrated LDO driver 1 st Voltage Regulator 2 nd Voltage Regulator 3 rd Voltage Regulator 1 IC 11 Caps 12Resistors 6 Diodes 3 Inductors 1 NPN 4 th Voltage Regulator 1 ICs + 33 external Components Power Supply for Memory included

45 Resistor Divider Very Simple No regulation Low efficiency Dumb Simple Difficult Simple Monolithic Switchmode Regulators More components than LR Layout considerations Mid-to-high power More efficient ZEN! µmodule Regulator Systems Complete circuit in a? tiny package Simple layout Efficient Low-to-high power Low Noise Simple Difficult Linear Regulators Simple Low noise Few components Low power Simple Difficult Switchmode Controller Regulators More components than monolithic More complex layout Mid-to-very high power, efficient Simple Difficult Difficult

46 FPGA Supply 2-step with µmodules Step1: 3.3V, 5A 4 th Voltage Regulator 1 µmodule 2 Caps 2 Resistors 0 0 Diodes 0 Inductors Step2: 1 st Voltage Regulator 2 nd Voltage Regulator 1 µmodule 8 Caps 6 Resistors 0 0 Diodes Diodes 0 Inductors 3 rd Voltage Regulator 2 µmodules + 18 external components + Power supply for Memory

47 Attenzione! Non sempre quello che si vede è vero! Antenna BW: 300MHz, 20mV/div.

48 Che la potenza sia con voi ma fatene buon uso!

49 Grazie per l attenzione