מיקרו-מודולים (Power Module – µModule)

מבוא
מיקרו-מודולים DC-DC של Linear Technology נותנים פתרון מערכתי מלא (system-in-package) לממירי מתח DC-DC. זהו פתרון קומפקטי אשר כולל את הבקרים הממותגים (Controller DC-DC), טרנזיסטורי הספק FETs, קבלי כניסה ומוצא, מעגלי קומפנסציה, משרנים ואת כל הרכיבים התומכים בתוך אריזת BGA או LGA קומפקטית. הרכיבים שבתצורת BGA קיימים בגרסת נטול אופרת (Lead Free) וגם בגרסה על ציפוי אופרת (Leaded), אשר יכולה להתאים למגוון אפליקציות צבאיות. לחברה יש מעל 100 סוגים שונים של מיקרו-מודולים, הניזונים ממתחי הכניסה בתחום של 1.5V-60V, המסוגלים לספק מתחי יציאה החל מ-0.5V עם זרם עד כ-380A בחיבור מקבילי של מספר מודולים. קיימות מספר תצורות של מיקרו-מודולים DC-DC ממותגים כגון: BUCK וBOOST-BUCK. כמו כן קיימים מודולים מבודדים (Isolated), מטענים לסוללות (Battery Chargers) ו-Led Drivers (איור 1)

אמינות ועמידה בתקנים
כפתרון משולב, רכיבי מיקרו-מודול חוסכים זמן פיתוח מוצר ומקום במעגל תוך שמירה על ביצועיים כגון: נצילות, אמינות, ועמידה בתקני EMI מחמירים כולל תקני תאימות אלקטרומגנטית עבור ספקי כוח ממותגים: EN55022 class B standards. לפני שחרור כל רכיב לייצור המוני, עובר תהליך Qualification מעמיק מאוד, בין היתר לתחום ה-Automotive.

מארז בעל יכולת פיזור חום טובה
מנגנון פיזור חום (Heat Sink) המשולב בתוך המארז מהווה את היתרון הנוסף של טכנולוגיית המיקרו-מודולים. ניקח בתור דוגמה רכיב LTM4650 מיקרו-מודול עם שני ספקי DC-DC מובנים בעל יכולת הספקת זרם של 25A כל אחד, או הספקת יציאה בודדת של מתח עם זרם של 50A. המודול הנ”ל מכיל Heat Sink מובנה בתוך האריזה אשר מחובר לשני הסלילים במודול מכיוון שלרכיב ישנם שני ערוצים להספקת המתח ולשני סטים של ה-MOSFETs. החום שמתפזר ע”י הרכיבים הנ”ל בתוך האריזה מועבר דרך ה-Heat Sink המתכתי לצד החיצוני של האריזה וכאשר משתמשים במאווררים לקירור הרכיבים והאוויר יזרום דרך האריזה, החום יפוזר בקלות וביעילות מהאריזה (איור 2).

איור 1. מתאר את המיקרו-מודולים (µModule) של לינאר טכנולוגיות

איור 1. מתאר את המיקרו-מודולים (µModule) של לינאר טכנולוגיות

סידור פינים (Pinout) אחיד
המארז בנוי באופן סימטרי עם סידור פינים (Pinout) אחיד, בעל פינים בגודל זהה עם מרחק אחיד בין הפינים. הדבר מאפשר תכנון מערכתי נוח עם יכולת לתכנן פלטפורמות ספקים מערכתיות תוך הגדרת מודולים בעלי Pinout זהה עם הספקות שונות לפי הצורך. דוגמה לכך ניתן למצוא ברכיבים הבאים:
LTM4650 – מיקרו-מודול DC/DC עם שתי יציאות של 25A או יציאה אחת של 50A (איור 3)
LTM4620 – מיקרו-מודול DC/DC עם שתי יציאות של 13A או יציאה אחת של 26A.
שני הרכיבים הינם בעלי Pinout זהה עם יכולת הספקת זרמים שונים וניתן להרכיב את הרכיב המתאים בהתאם לצורכי המערכת.

מיקרו-מודולים עם אריזות דקות מאוד (Ultrathin)
ישנה משפחה של מיקרו-מודולים בעלת אריזה דקה של

איור 2. מבנה פנימי של מיקרו-מודול כולל רכיבים ו-Heat Sink

איור 2. מבנה פנימי של מיקרו-מודול כולל רכיבים ו-Heat Sink

1.82mm. היתרון של המשפחה הנ”ל הוא שניתן למקם אותם יחד עם הרכיבים שאליהם מסופק המתח והם לא יתפסו מקום בגובה מעבר לרכיבים אחרים על הכרטיס. הדבר יאפשר לתכנן את המארז המכאני של המוצר הסופי באופן אחיד בלי אילוצים מיוחדים.  היתרון הנוסף של האריזה הדקה הוא שניתן למקם את המיקרו-מודול בצד השני של ה-PCB, מתחת לרכיב שעליו מסופק המתח בלי לתפוס הרבה מקום בגובה. המשפחה של מיקרו-מודולים עם אריזה דקה הינה LTM46XX, לדוגמה הרכיב LTM4622 – מיקרו-מודול ממותג מוריד מתח (BUCK) במארז LGA זעיר אולטרה-דק של 6.25 מ”מ × 6.25 מ”מ × 1.82 מ”מ. המארז כולל את הבקר הממותג ואת כל הרכיבים התומכים כולל טרנזיסטורי FET ומשרנים בתוך האריזה. הרכיב ניזון ממתחי הכניסה בתחום של 3.6V-20V ומספק שתי יציאות של 2.5A כל אחת או יציאה אחת של 5A, מתחי יציאה של 0.6V-5.5V (איור 4).

איור 3. אריזה של המודול LTM4650 כולל סידור הפינים, Heat Sink מובנה והמידות

איור 3. אריזה של המודול LTM4650 כולל סידור הפינים, Heat Sink מובנה והמידות

דיוק בייצוב מתח המוצא
חישה מרחוק
(Remote Sensing)
עבור אפליקציות בעלי זרם גבוה ועומס משתנה, למיקרו-מודולים ישנה פונקציה Remote Sense המאפשרת לפצות על נפילת המתח עקב ההתנגדות של המוליך החל מהמוצא של המודול עד העומס (Trace Impedance Compensation). מוליך מהווה התנגדות מסוימת וכאשר מזרימים דרכו זרם, חלק מהמתח המסופק נופל על המוליך. עם שינויי צריכת הזרם, משתנה גם המתח שמגיע לצרחן. המיקרו-מודול יפצה על נפילת המתח הנ”ל. נסביר זאת ע”י דוגמה: נדרש לספק 1V עם זרם של 20A. האימפדנס של המוליך הינו 10mΩ. בזרם של 20A, ייפול על המוליך 200mV . במקרה הנ”ל, Remote Sense Amplifier יקבל את קריאת המשוב מהעומס ויקבע את מתח המוצא של המודול ל-1.2V וכך העומס יקבל הספקת מתח של 1V (איור 5).

איור 4: מידות של המיקרו-מודול LTM4622

איור 4: מידות של המיקרו-מודול LTM4622

דיוק מתח DC
ו-Transient Response
טכניקת הבקרה מסוג Current Mode מאפשרת למיקרו-מודולים של החברה להבטיח דיוק מתח המוצא של ±1.5% ב- DC בטווח רחב של טמפרטורות עם עומס מלא. המודולים החדשים יותר מבטיחים דיוק של ב-DC בטווח רחב של טמפרטורות עם עומס מלא. דיוק מתח המוצא ב-Transient response מובטח להיות .  הנתונים הנ”ל מתאימים מאוד להספקת המתח עבור דור חדש של ASICs, FPGAs,
Micro-Processors ו-GPUs. יציבות מתחי ההספקה הינה אחת הדרישות החשובות עבור הרכיבים הנ”ל כאשר יש קפיצת זרם רגעית של העומס (Transient), לדוגמה זרם הליבה (Core) של FPGA או של ASIC.  שתי התכונות הנ”ל מאוד חשובות עבור המערכות שיציבות המתח קריטית בהם ללא תלות בהתנגדות הפרזיטית של המוליכים ב-PCB וללא תלות ב-Transient Response (איור 6).

נצילות
מיקרומודולים של לינאר טכנולוגיות הינן בעלי נצילות גבוהה. התכנון של מיקרו-מודולים ותהליך הבדיקות נעשים בצורה קפדנית מאוד תוך שמירה על הביצועיים הגבוהים של המודול (איור 7)

איור 9: הספקת המתחים של LTM4632 לזיכרון QDR4

איור 9: הספקת המתחים של LTM4632 לזיכרון QDR4

דירוג ההספק ושיתוף הזרם
(Scaling Power and Current Sharing)
הדרישה למודולריות של המערכת עולה עם השנים. מערכת מודולארית מאפשרת להשתמש בפלטפורמה עבור מגוון תצורות.  ניתן להשתמש במיקרו-מודול רב ערוצי כפלטפורמה ובהתאם לדרישה לצריכת הזרם, לחבר את היציאות במקביל ולספק זרם יותר גבוהה. שימוש בטכניקת בקרה Current Mode מאפשר חיבור מקבילי בין היציאות ע”י קצר בינהן ללא בניית מעגלים נוספים.
על מנת להבהיר את הנושא, נקח בתור דוגמה את הרכיב ה-4644LTM הוא מייצב μModule (מיקרו-מודול) מוריד מתח DC/DC עם ארבע יציאות (Quad) ו-4A‎ ליציאה. ניתן לקנפג את מספר היציאות ע”י חיבור יציאות במקביל והספקת זרם גבוהה יותר בחלק מהיציאות. לבוגמה , ניתן לחבר שתי יציאות במקביל ולספק 8A ובנוסף עוד שתי יציאות כל אחת 4A, או לחבר שלוש יציאות במקביל ולספק 12A ובנוסף עוד יציאה עם הספקה של 4A, או לחילופין ניתן לחבר את כל ארבעת היציאות במקביל ולספק 16A מהמודול הנ”ל. חיבור היציאות במקביל נעשה באופן מאוד פשוט ע”י קצר בלבד בין היציאות וזאת מכיוון שהרכיבים עובדים בשיטת Current Mode.
היתרון של השיטה הנ”ל היא שיכולת דירוג היציאות של הרכיב מאפשרת גמישות רבה בתכנון המערכתי ע”י תכנון פלטפורמה שתהיה מסוגלת לספק זרמים ומתחים שונים למגוון מערכות ללא שינויים מהותיים ברמת העריכה של הכרטיס אשר עלול לחסוך זמן, כוח אדם והוצאות בתכנון המערכת.
המודול פועל על פני תחום מתחי כניסה של 4V עד 14V, ה- LTM4644 תומך בתחום מתחי יציאה של 0.6V עד ‎5.5V כשכל מתח יציאה מוגדר באמצעות נגד חיצוני יחיד. התכן עם הנצילות הגבוהה מספק זרם יציאה רציף של ‎4A (שיא של A‏5) לכל ערוץ. נדרשים רק קבלי כניסה ויציאה סטנדרטיים (Bulk) (איור 8).

סנכרון בין מודולים שונים
לאחרונה מתגברות הדרישות להספקת זרם גבוהה לרכיבים דיגיטאליים (כגון: FPGA, מיקרו-בקרים) תוך שמירה על פשטות מעגלי ההספקה ומקום על הכרטיס. למודולים של לינאר טכנולוגיות ישנה אפשרות לסנכרן בין מודולים שונים ולחברם במקביל על מנת להגיע לזרמים עד כ- 380A.
כדוגמה ניקח שני רכיבים:
1. LTM4650 – מיקרו-מודול הכולל שני מייצבי DC/DC בארכיטקטורת BUCK עם שתי יציאות של ‎25 A או יציאה בודדת של ‎50 A
2. LTM4677 – מיקרו-מודול הכולל שני מייצבי DC/DC בארכיטקטורת BUCK עם שתי יציאות של ‎18 A או יציאה בודדת של ‎36A. הרכיב כולל ממשק דיגיטאלי SMBUS, NVM (Non-volatile memory), PSM של החברה.
שני הרכיבים הנ”ל עובדים בשיטת Current Sharing. על ידי חיבור של שני סוגי הרכיבים ניתן להגיע לזרם של 380A. ניתן לעשות זאת על ידי חיבור במקביל של שבעה רכיבי LTM4650 שיספקו כ-50A כל אחד (סה”כ 350A) ורכיב אחד של LTM4677 שיספק כ-30A. מכיוון שהרכיבים עובדים בשיטת Current Sharing החיבור במקביל נעשה ע”י קצר בין היציאות. הגישה לרכיב LTM4677 הינה דיגיטאלית וניתן לקרוא דרכה נתונים כגון: רמות המתחים, זרם, טמפרטורה.
קיים reference design מטעם החברה לתצורת המתחים הנ”ל ולפי התכנון הנ”ל פיזור החום בין שבעת המודולים הינו אחיד וניתן לקרר את הסביבה יחסית בקלות ע”י זרימת אוויר של מאוורר.

שימוש במיקרו-מודולים כאספקת מתחים לרכיבים כגון: FPGA, ASIC, Microcontrollers וזיכרונות DDR3/4 החברה עובדת באופן צמוד עם יצרני FPGA : ו-XILINX על מנת לספק פתרונות מוכחים ובדוקים להפסקות המתחים. כמו כן ללינאר טכנולוגיות ישנם פתרונות מוכחים עבור מיקרו-בקרים של NXP/Freescale וגם זיכרונות מסוג DDR-QDR4. רכיב LTM4632 הינו פתרון מלא להספקת מתחים ל DDR-QDR4 SRAM כולל מתחי: VDDQ ,VTT ,VTTR או (VREF). זהו מיקרו-מודול עם 3 הספקות מתח התואמות את צריכת הזיכרונות הנ”ל (איור 9).

סיכום
מיקרו-מודולים הינם קלים לשימוש, המארז שלהם קומפקטי, לכן השימוש בהם מאפשר לחסוך מקום בכרטיס האלקטרוני, יחד עם זאת הביצועיים שלהם מצוינים והנצילות גבוהה. ה- Heat Sink משולב בתוך האריזה, לכן פיזור החום נעשה בצורה מאוד קלה. המודולים משפרים את האמינות של המערכת מכיוון עוברים בדיקות היקפיות ע”י היצרן ומסתפקים שימוש מינימאלי של רכיבים חיצוניים. הדבר חשוב במיוחד עבור יישומים בהם המערכות נחשפות לתנאיי סביבה קשים. טכניקת בקרה Current Mode מאפשרת לשמור על ביצועיי Transient Response מצוינים בקפיצות זרם עומס רחבות. כמו כן ניתן לחבר בקלות במקביל מספר מודולים על מנת לספק זרם גבוהה יותר. השימוש במיקרו-מודולים מצמצם באופן משמעותי את הסיכונים הכרוכים בפיתוח, את זמן פיתוח המוצר ואת אילוצי המקום. אמינות המוצר משתפרת ותוך שימוש במיקרו-מודולים, המהנדסים יכולים להתמקד בפיתוח הטכנולוגיה העיקרית תוך שימוש בספקים עם ביצועיים מצוינים.

מאיר מרדכייב הינו מהנדס אפליקציה של Linear Technology בחברת אבנט

מאיר מרדכייב, אבנט

תגובות סגורות