MPM3695製品ファミリ: 柔軟な出力電圧構成を備えた高電力電源モジュールソリューション

はじめに

近年、技術の急速な進歩に伴い、より高い出力電流 (I_OUT) の能力を備えた電源装置が必要とされています。残念ながら、コンパクトなパッケージで高効率な重要なIOUT を実現することは、現代の設計ソリューションにとって複雑な作業です。

MPM3695ファミリは、並列接続を備えた PMBusインタフェースを備えた完全に機能集積した電源モジュールソリューションであり、最大800AのI_OUT供給能力を供給します (表1参照) 。MPS独自のマルチフェーズ・コンスタントオンタイム (MCOT) 制御は、超高速な過渡応答を提供し、ループ補償を簡単にします。

表1: MPM3695製品ファミリ

製品型番	MPM3695-10	MPM3695-20	MPM3695-25	MPM3695-100
IOUT (フェーズあたりの最大) (A)	10	25	20	100
スレーブフェーズ (最大)	5	5	5	7
合計IOUT (A)	60	150	120	800
パッケージサイズ	LGA-45 (8mm x 8mm x 2mm)	ECLGA-29 (5mm x 6mm x 4.4mm)	QFN-59 (10mm x 12mm x 4mm)	BGA (15mm x 30mm x 5.18mm)

PMBusインタフェースにより、モジュール設定と主要パラメータのモニタリングが簡単になり、包括的な保護機能により信頼性の高い動作が保証されます。MPM3695は、V_OUTに対するV_OUTマージン、故障レベル、およびパワーグッド (PG) しきい値を簡単に設定できます。この柔軟性により、出力電圧 (V_OUT) の変化に応じて動的な調整が可能となり、手動での更新が不要になるため設計プロセスが加速されます。

出力電圧の設定

MPM3695製品ファミリはV_OUTを調整する2つの方法を提供します。最初のオプションは、内部抵抗分圧器を使用することです。2番目のオプションは、外部抵抗分割器を介してV_OUTを変更することです。

図1 は、内部抵抗分圧器を備えた一般的なアプリケーション回路を示しています。

図1: 内部抵抗分割器を使用した標準的なアプリケーション回路 (単一モジュール動作)

図2は、内部抵抗分圧器を備えた代表的なアプリケーション回路を示しています。

図2: 内部抵抗分割器を使用した代表的なアプリケーション回路 (単一モジュール動作)

設計に基づいて、カスタマイズ要件のあるスペースが限られたアプリケーションでは、両方の方法を活用することが有利な場合があります。外部抵抗分割器を使用すると、電力消費をPCB全体に分散できるため、熱管理も向上します。しかし、外付け抵抗器の大きな欠点の一つは、その許容誤差が VOUT 精度を損なう可能性があることです。さらに、抵抗分割器には温度係数があり、温度の変化に応じて抵抗が変動する可能性があります。この変動により、フィードバック電圧 (V_FB) にわずかな偏差が生じ、結果として出力電圧 (V_OUT) にも影響を及ぼす可能性があります。

MPM3695製品ファミリはV_OUT設定用のPMBusプロトコルに対応しています。表2はV_OUTを変更するために使用できるコマンドを示しています。マージン電圧コマンドは、アプリケーションの堅牢性を検証し、デバイスがアプリケーションの仕様を満たし、時間の経過や温度の変化に応じて電源電圧の小さな変化に耐えられることを保証します。

選択された電圧値が決定されると、VOUT_MAXおよびVOUT_MINコマンドによって設定されたV_OUT制限値と比較されます。これにより、V_OUTは安全な上限および下限しきい値内に確実に留まるようになります。最後に、基準電圧に合わせてスケーリング係数が適用されます。

表2: PMBus出力電圧コマンド

コマンド	コード	概要
VOUT_COMMAND	0x21	通常操作中にデバイスのターゲットVOUTを設定します。
VOUT_MARGIN_HIGH	0x25	上限電圧を設定して、VOUTは、マージンテスト (一時マージンテストおよびパフォーマンス検証) 中に調整できます。
VOUT_MARGIN_LOW	0x26	上限電圧を設定して、 VOUT は、マージンテスト (一時マージンテストおよびパフォーマンス検証) 中に調整できます。
VOUT_MAX	0x24	大許容VOUTを設定します。これは不変の上限電圧であり、これを超えると故障が発生し、負荷または電源自体が損傷する可能性があります。
VOUT_MIN	0x2B	最小許容VOUTを設定します。これは不変の下限電圧であり、これを超えると故障が発生し、負荷または電源自体が損傷する可能性があります。
VOUT_SCALE_LOOP	0x29	フィードバック(FB) ループのゲインを調整します。これは、電源を安定させたり、目標の電圧調整性能を達成したりするために必要になる場合があります。
OPERATION	0x01	電源のオン/オフ状態とVOUT コマンドの基本ソース (VOUT_COMMAND、VOUT_MARGIN_HIGH、またはVOUT_MARGIN_LOW) を制御します。

MPM3695-10のV_OUTコマンドプロセスでは、OPERATIONコマンドを使用して、3つの入力のうち1つを公称電圧のソースとして選択します (VOUT_COMMAND、VOUT_MARGIN_HIGH、またはVOUT_MARGIN_LOW) (図3参照)。

図3: MPM3695-10 PMBus出力電圧コマンド処理

内部電圧分圧器

V_OUTは、VOSNSピンとVOSNS-ピンを通じて検出されます。内部抵抗分圧器は、基準電圧 (V_REF) に一致させるため出力電圧 (V_OUT) を低減します。図4は内部電圧分圧器を設定する方法を示しています。

図4: 内部抵抗分割器によるV_OUTの設定

表3は、VOUT_SCALE_LOOP (29h) とMFR_CTRL_VOUT (D1h) を通じて内部電圧分割器オプションを使用したV_OUTの幅を示します。内部電圧分割器を使用する場合は、外部フィードバック (FB) 抵抗器を完全に切断し、目的のアプリケーションに応じて適切な電圧の幅を選択することが重要です。

通常、FBゲインが高くなると、負荷過渡に対する応答時間が速くなります。ただし、ゲインが高すぎると不安定性やオーバーシュートが発生する可能性があります。FBゲインが低いと、安定時間が遅くなり、オーバーシュートが減少する可能性があります。

表3: 内部抵抗分割器付きMPM3695製品ファミリのV_OUT幅

外部電圧分圧器

外部分圧器を使用する場合、デバイスの出力電圧 V_OUTは、分圧回路を形成するために直列に接続された2つの抵抗器 (R1およびR2) を用いてスケーリングされます。V_FBは、VOSNSピンとVOSNS-ピンを通じて検出されます。図5は外部分圧器の構成を示しています。

図5: 内部抵抗分割器によるV_OUTの設定

FB抵抗の値 (R₂と R₁) は式(1)で計算できます。

\[ R_2(k\Omega) = \frac{V_{\mathrm{REF}}}{V_{\mathrm{OUT}} - V_{\mathrm{REF}}} \times R_1(k\Omega) \]

V_REFは基準電圧で、デフォルト値は0.6V (0.5V～0.672Vの間で調整可能) であり、V_OUTは目標出力電圧です。

FB分圧器には、温度係数が低い1%許容誤差の抵抗器を使用することをお勧めします。V_OUTFBゲインは式(2)で推定できます:

\[ G_{\mathrm{FB}} = \mathrm{VOUT\_SCALE\_LOOP} = \frac{R_2}{R_1 + R_2} \]

OUTの上限(V_{OUT_MAX})および下限値 (V_{OUT_MIN}) はそれぞれ式(3)と式(4)で計算できます:

\[ V_{\mathrm{OUT\_MAX}} = \frac{0.672}{G_{\mathrm{FB}}} \]
\[ V_{\mathrm{OUT\_MIN}} = \frac{0.5}{G_{\mathrm{FB}}} \]

負荷過渡応答を最適化するために、フィードフォワードコンデンサ (C_FF) はRと並列に配置する必要があります (図5参照) 。表4は、VOUT_SCALE_LOOP (29h) およびMFR_CTRL_VOUT (D1h) を介して外部分圧器を使用した場合のVOUT幅を示しています。

表4: 外部抵抗分割器によるMPM3695製品ファミリ V_OUTの幅

表5に、一般的な出力電圧のFB抵抗とフィードフォワードコンデンサの値を示します。

表5: 一般的な出力電圧

VOUT (V)	R1 (kΩ)	R2(kΩ)	CFF (nF)	VOUT_SCALE_LOOP (29h)
0.9	0.5	1	33	0.66
1.2	1	1	33	0.50
1.8	2	1	33	0.33
3.3	4.53	1	4.7	0.18
5	7.32	1	4.7	0.12

実際の設計例

外部電圧分圧器

以下のセクションでは、MPM3695-25を使用して外部抵抗分圧器を介してV_OUTを設定する方法について、実際の例を示します。表6に、この例で考慮されたすべてのパラメータを示します。

表6: 設計例のパラメータ

入力電圧 (VIN)	12V
出力電圧 (VOUT)	1.8V
最大出力電流 (IO_MAX)	10A
スイッチング周波数 (fSW)	800kHz

Choose R₁ = 2kΩおよびV_REF = 0.6Vを選択。式(5)を用いてR₂を推定します:

\[ R_2(k\Omega) = \frac{0.6}{1.8 - 0.6} \times 2 = 1k\Omega \]

抵抗分割器のゲインを式(6)で計算します:

\[ G_{\mathrm{FB}} = \mathrm{VOUT\_SCALE\_LOOP} = \frac{1}{1 + 2} = 0.33 \]

V_{OUT_MAX}とV_{OUT_MIN}はそれぞれ式(7)と式(8)で推定できます:

\[ V_{\mathrm{OUT\_MAX}} = \frac{0.672}{0.22} = 2.016\,V \]
\[ V_{\mathrm{OUT\_MIN}} = \frac{0.5}{0.33} = 1.5\,V \]

上記の抵抗分圧器を使用する場合、これらの制限に遵守しないと出力電圧V_OUTの精度が低下します。

表7は、この例で使用される公称V_OUTコマンド (VOUT_COMMAND) および外部抵抗分圧器のゲイン (VOUT_SCALE_LOOP) の設定値を示しています。これには、マージンV_OUT制限コマンド (VOUT_MARGIN_HIGHおよびVOUT_MARGIN_LOW) とセーフガードV_OUTコマンド(VOUT_MAXおよびVOUT_MIM)の値も含みます。

表7: PMBus V_OUTコマンド値の例

コマンド名	コード	16進数値	10進値
VOUT_COMMAND	0x21	0x384	1.8V
VOUT_SCALE_LOOP	0x29	0x14A	0.33
VOUT_MARGIN_HIGH	0x25	0x3E8	2V
VOUT_MARGIN_LOW	0x26	0x320	1.6V
VOUT_MIN	0x2B	0x1F4	1V
VOUT_MAX	0x24	0x4E2	2.5V
MRF_CTRL_VOUT	0xD1	0x00	0

実際の出力電圧 (V_{OUT_REAL}) は式(9)で計算できます:

\[ V_{\mathrm{OUT\_REAL}} = \left(1 + \frac{R_1}{R_2}\right) \times \mathrm{VOUT\_COMMAND} \times \mathrm{VOUT\_SCALE\_LOOP} \]

V_{OUT_REAL} = VOUT_COMMAND、次の条件が満たされる場合、式(10)で推定されます:

\[ \left(1 + \frac{R_1}{R_2}\right) \times \mathrm{VOUT\_SCALE\_LOOP} = 1 \]

現在の例では、VOUT_SCALE_LOOPは抵抗分割器の実際のゲインと一致するため、V_{OUT_REAL}はVOUT_COMMAND (21h) で設定された値と同じになります。

シングルフェーズ設定におけるMPM3695-25の評価ボード (EVM3695-25-RF-02A) の構成では、この例が使用されました。図6は構築された回路を示しています。

図6: EVM3695-25-RF-02A回路図

MPSのVirtual Bench Pro 4.0 GUIは、MPM3695製品ファミリを構成するためのインタフェースを提供します。図7は、この例で使用されるメインPMBus VOUTコマンドを示しています。

「パラメータ」タブは2つのセクションに分かれています。基本的なパラメータは上部にあり、より高度な設定は下部にあります。図7のボックス1は、VOUT_COMMAND (21h)、VOUT_SCALE_LOOP (29h)、およびMRF_CTRL_VOUT (D1h) の設定を示しています。図7のボックス2は次のVOUTコマンドを示しています: VOUT_MAX (24h)、VOUT_MIN (2Bh)、VOUT_MARGIN_LOW (26h)、およびVOUT_MARGIN_HIGH (25h) 。これらの各レジスタの設定値 (16進形式) は、ボックス3の「レジスタマップ」タブにあります (図7参照) 。

MPM3695製品ファミリの電源モジュールには、READ_VIN (88h)、 READ_VOUT (8Bh)、READ_IOUT (8Ch)、およびREAD_TEMPERATURE (8Dh) などのテレメトリコマンドがあります。これらのコマンドは入力電圧 (V_IN)、V_OUT、負荷電流、温度をそれぞれリアルタイムで表示します。値はボックス4の「モニタリング」セクションで可視化されています (図7参照)。

図7: MPM3695-25 GUI

VOUT_COMMAND (21h) は公称電圧源を設定します。図8は、リアルタイムでモニタされた値 (黄色のボックスで示される) がアプリケーションのターゲット値と一致するかどうかを示しています。VOUT_MARGIN_HIGH (25h) を公称V_OUTソースに設定し、高いマージンでデバイスをオンにするには、OPERATION (01h)、ビット[5:4] = 10b を設定します。表6に基づき、目標マージンの上限値は2Vに設定されます。

図8はリアルタイムでモニタされるV_OUT(緑色のボックスで示されます) が、VOUT_MARGIN_HIGH (25h) で設定された値と一致するかどうかを示します。

図9は、VOUT_MARGIN_LOW (26h）の結果が、この例で使用されている設定値と一致するかどうかを示しています。

図9: VOUT_MARGIN_LOWコマンドの設定例

内部電圧分圧器

表6のパラメータについて考えてみましょう。本項では、内部分圧器を使用したV_OUTの設定方法について説明します。

VOSNS+ピンとVOSNS-ピンがV_OUTセンスポイントに直接接続されていることを確認します (図4参照）。このシナリオでは、R₃は0Ωに設定され、図6でR₄が削除されました。

内部分圧器と外部分圧器を切り替える際の安全上の考慮のため、ENピンを介して部品をディセーブルにすることを強くお勧めします。そうしないと、デバイスが損傷する可能性があります。

V_OUTの幅はMFR_CTRL_VOUT (D1h）を介して、ビット[1:0] (10bに設定されている場合) に設定され、VOUT_SCALE_LOOP (29h) は0x00FAに設定されました (表3参照）。表8は、内部抵抗分圧器を使用してV_OUTを1.8Vに設定するためのPMBusコマンドシーケンスを示しています。

表8: 内部電圧分圧器を設定するためのPMBusコマンドシーケンス

ステップ	コマンド名	コード	16進数値	10進値
1	MFR_CTRL_VOUT	0xD1	0x02	2
2	VOUT_SCALE_LOOP	0x29	0x14F	335
3	VOUT_COMMAND	0x21	0x384	1.8V
-	VOUT_MARGIN_HIGH	0x25	0x3E8	2V
-	VOUT_MARGIN_LOW	0x26	0x320	1.6V
-	VOUT_MIN	0x2B	0x1F4	1V
-	VOUT_MAX	0x24	0x4E2	2.5V

PMBusインタフェースを介したV_OUTのオンザフライ調整は、I/O電圧を変更する場合、特にAchronix Speedster7tソリューションのような新しいFPGAの機能を再構成する際に役に立ちます。さらに、このオンザフライ機能を利用すると、動作中にFPGAのコア電圧を調整して消費電力を最小限に抑えることもできます。

図10は、内部抵抗分圧器でV_OUTを設定する際のGUIを示しており、緑色のボックスはVOUT_COMMAND (21h）およびMFR_CTRL_VOUT (D1h）のビット[1:0]に対するコマンド値を示しています。「モニタリング」セクション (黄色の枠で示された部分）では、出力電圧 (V_OUTT）電流測定値、負荷電流、およびデバイスの温度をモニタできます (図10参照）。

図10: 内部電圧分圧器を使用したV_OUTの設定

結論

V_OUT

MPM3695製品ファミリ (MPM3695-10、MPM3695-20、MPM3695-25、およびMPM3695-100) は、外部または内部の電圧分圧器を使用してV_OUTを設定するための優れた柔軟性を実現します。提示された結果に基づくと、どちらの方法もリアルタイムV_OUTOUT制御が必要なアプリケーションに最適です。

お客様のアプリケーションに最適な電源モジュールソリューションを調べるには、MPSの広範な電源モジュール製品一覧をご覧ください。

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