簡単でインテリジェント、高電力密度: PMBus互換のモノリシック30A DC/DCレギュレータは、最大8相を並列接続し、240A以上を出力可能

Yat Tam
MPS プロダクトマーケティングマネージャ

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図1: 分散型電源アーキテクチャの例

複雑なシステムでは、50PoLの電圧レールが存在する可能性があります。システムアーキテクトとエンジニアは、出力電圧、シーケンス、および最大許容電流に関してこれらのレールを管理する簡単な方法を必要としています。特定のプロセッサは、コア電圧の前にI/O電圧をパワーアップすることを要求します。または、特定のASICでは、I/O電圧の前にコア電圧をパワーアップする必要があります。パワーアップおよびパワーダウン・シーケンスも必要です。設計作業を簡素化するために、システムパフォーマンスを最適化し、各DC/DCコンバータの特定の構成を保存するための変更を実装する簡単な方法が必要です。

アクティブな電力管理に対する高まる需要を満たすために、多くの新しいシステム設計は、電源の柔軟性を高めることができるため、PMBusテクノロジーを採用するようにシフトしています。PMBusは、警告や障害を特定して対応しながら、電源の構成、順序付け、および監視を簡素化します。最新のPMBus仕様 (バージョン1.3) では、適応電圧スケーリング (AVS) が導入されています。これは、プロセッサのクロック周波数を遅くし、電源電圧を自律的に下げる機能をサポートします。これにより、出力負荷が軽い場合の消費電力を最小限に抑え、大幅な省電力を実現します。PMBusバージョン1.3は、データスループットの向上を可能にするPMBus速度の高速化、警告しきい値を通知する出力電圧トラッキングの強化、優先度の高いデバイスとの高速通信用の高速ゾーン読み取り/書き込み、データの改訂、より広い範囲でより高い精度を可能にする更新フォーマットなど、さらに多くの改善を提供します。

システムが複雑さを増し、設計サイクルを短縮し、リソースの割り当ては、主にシステムの主要な知的財産の開発に割り当てられ、そのため設計リソースは薄くなりました。これは、多くの場合、関連する電源を開発サイクルの後半まで取っておかなければならないことを意味します。時間はほとんどなく、電力設計の専門知識が限られているため、実装面積を最小限に抑えた高効率のソリューションを開発するにはプレッシャーがあります。 縮小し続けるボード面積の要請によって、ボードの面積を最大化するためにPCBの下側を利用することにつながりますが、これは場合によってはオプションではないかもしれません。理想的なソリューションは、スモール形状寸法の理想的な電源です。

MPSの最新のアプローチ

数十ミリアンペアから数百アンペアの範囲のアプリケーションを処理するための従来のアプローチは、ディスクリートアナログ・ソリューションです。ディスクリートアナログ・ソリューションの構成要素は、コントローラICと、1対の外部MOSFETまたはドライバMOSFET (DrMOS) ICのいずれかで構成されています。適切な量の入力および出力コンデンサと適切なインダクタを使用して実装されたこれらのコンポーネントは、基本的な電力変換要件を満たします。 ただし、最新のシステム設計のほとんどでは、システムレポート用にリアルタイムの情報を監視、制御、および取得する機能が必要です。これらの機能は、電圧スーパーバイザ、温度センサ、A/Dコンバータ (ADC) 、D/Aコンバータ (DAC) などの外部コンポーネントを追加することで実現できます。これはコストを追加するだけでなく、ほとんどの最新のシステムにはない大量のボードスペースを必要とします。

従来のディスクリートアナログ・ソリューションとは異なり、MPSはモノリシック・ソリューションを実装しています。MPQ8645Pは、PMBusインタフェースを備えた16Vの降圧レギュレータであり、単相動作で30Aの電流を供給でき、同期整流を利用して最適な効率をすべて単一のシリコンダイ上で実現します。熱的に強化されたTQFN (4mm x 5mm) パッケージで提供します。MPQ8645Pは、個別のコントローラICと電力段 (外部コンポーネントを含まない) を使用するディスクリートアナログ・ソリューションよりも約20～50％小さくなっています (表1を参照) 。

表 1: MPSとディスクリートアナログ・ソリューションのIC領域

MPQ8645Pは、回路図とPCBレイアウトを簡素化するために最小限の数の外部コンポーネントを必要とします (図2を参照) 。電源の基本設計は以下の3つのステップで完了することができます。電圧および電流リップル要件を満たすために、適切な量の入力および出力コンデンサを選択します。次に、アプリケーションの総負荷電流需要を満たすために適切なインダクタを選択します。第三に、それぞれのピンからグランドに抵抗を配置することにより、電流制限とPMBusアドレスをプログラムします。残りの機能と操作は、PMBusを介して対処できます。MPQ8645Pは、その高度な集積とシンプルな設計により、85～95％の標準効率を達成できます。 たとえば、MPQ8645Pのピーク効率は、1MHzのスイッチング周波数アプリケーションで12Vinから2.5Voutの場合に95％にもなります。

図2: 単相動作におけるMPQ8645Pの代表的なアプリケーション回路

並列運転と電流共有

図3: 多相動作におけるMPQ86459Pの典型的なアプリケーション

MPQ8645Pは、高出力アプリケーションを処理する簡単な方法も提供します。図3は、多相動作でのMPQ8645Pの一般的なアプリケーションを示しています。これはスケーラブルであり、高い負荷電流の需要に対応するために並列化できます。コンスタントオンタイム (COT) 制御モードアーキテクチャは、バランスの取れた負荷電流の共有とマッチングを保証します。全相のISUMピンは多相動作で相互に接続されます。ISUMに関する情報は、各相から回収し、TONパルスの持続時間を決定するために平均電流と比較されます。MP8Q8645Pは、4相動作で、室温で各相間で2％未満の誤差で正確な電流マッチングを実現できます (図4を参照) 。これにより、ホットスポットの可能性が軽減されます。MPQ8645Pは最大8つのICを並列化でき、フェーズの最大数は最大24まで増やすことができます。MPQ8645Pは720Aの最大出力電流を簡単にサポートできます。

図4: 4相動作でのMPQ8645Pの電流共有測定

システムの監視 / 制御とデバッグ/微調整

PMBus互換の電源ICを使用すると、従来のディスクリートアナログによるソリューションアプローチに比べて多くのシステム上の利点が得られます。これらは、構成の容易さと柔軟性、幅広く正確なシステム制御、および詳細で正確な監視とテレメトリを提供します。

従来のディスクリートアナログ・ソリューションでは、出力電圧、電流制限、スイッチング周波数、過電流しきい値などのパラメータは通常、1つまたは複数の抵抗を介して設定されます。アプリケーションで行われた変更または更新には、実際の物理コンポーネントのやり直しが必要です。これは、各アプリケーションには、エンジニアが追跡するための異なるコンポーネントのセットがあることを意味します。

MPQ8645Pは、1つの部品表 (BOM) で、さまざまなアプリケーションをサポートできます。入出力電圧、入出力電流 (相ごとおよび合計) 、スイッチング周波数、障害保護などのパラメーターは、PMBusを介してプログラム可能です。これらのパラメータの調整は動的に変更できます。MPQ8645Pは、電源の動作を目前のニーズに適合させることを可能にします。

MPQ8645Pは、組み込みのマルチタイムプログラミング (MTP) セルを使用して、カスタム構成を保存します。エンジニアは、各システムを特定のアプリケーションに微調整した後、調整されたすべてのパラメーターを読出し保存できます。これにより、迅速な変更が可能になり、物理的なハードウェアの変更が最小限に抑えられます。MPQ8645Pは、反復的で潜在的に集中的な労働活動を排除し、システムの微調整を手間をかけずに行います。

MPQ8645PはPMBus1.3に準拠しており、監視機能を備えています。テレメトリを使用すると、リアルタイム情報 (電圧、電流、温度、障害など) を読み取ってレポートする機能により、ホットスワップ・ソリューション全体のパフォーマンスを包括的に可視化できます。これは、エンジニアが予測分析によってシステムのランタイムを最適化し、修理が必要になったときにより多くのデータを取得することでダウンタイムを最小限に抑えることができるため、テストとデバッグの段階、またはシステムの展開中にも役立ちます。

結論

アクティブな電力管理は、成長するデータ通信およびネットワーキング業界のエネルギー効率の要求を満たすために不可欠なレベルのシステム内適応性を達成するための鍵を握っています。これは、システムアーキテクトとエンジニアがスペースの制約と厳しい納期で新しい設計を提供できる方法でもあります。MPSの最新のPoLレギュレーターであるMPQ8645Pは、これらの課題に対する直接的なソリューションです。MPQ8645Pを使用すると、コンポーネントの選択、最適化、およびレイアウトの設計負担がなくなり、全体的な設計時間、システムのトラブルシューティングが短縮され、最終的には市場投入までの時間が短縮されます。