現代の電子システムの建築家や設計者は、目が回るような数々の課題に直面しています。今日のシステムには、昨日よりも多くの機能、より高いパフォーマンス、広い帯域幅、より低い電力、より小さなフォーム ファクター、より低いコスト、より短い開発時間が必要です。将来のシステムはさらに多くの課題に直面することは間違いないでしょう。おそらく、これらの相反する要件を満たす上で最も難しいのは、異なる実装間で適切なトレードオフを行うことです。
設計者が利用できるオプションの範囲が広いため、電源管理サブシステムのボードスペース、開発時間、コスト、信頼性、柔軟性のバランスを適切に取ることは、最も難しい決定の1つになる可能性があります。各オプションには独自の利点と欠点があり、システム全体の要件と制約と照らし合わせて慎重に検討する必要があります。たとえば、下の図1は、一般的な電源管理システムの個別の実装を示しています。入力電圧VINは電源を提供し、出力VOUTはボードの特定の電源レールに接続します。パルス幅変調 (PWM) コントローラは、出力に電力を供給するパワーMOSFETのゲート ドライブを定期的に有効にします。パワーインダクタと補償ネットワークは、PWMコントローラがシステムに必要な電力を動的に供給するために使用するフィードバック ループを作成します。
図1: 一般的なコントローラ、レギュレータ、およびPowerSoCソリューション (図は、現在はIntelの一部であるAlteraの提供)
統合のレベル
上の図1に示すソリューションは、最も多くの外部コンポーネントを必要とする一般的なコントローラ ベースの実装と、パワーMOSFETを統合するレギュレータ ベースの実装を示しています。AlteraのEnpirion® PowerSoCソリューションは、コントローラ、ゲート ドライバ、パワーMOSFET、インダクタ、および補償ネットワークの一部を統合します。このより統合されたソリューションにより、ボードのスペースが大幅に削減されます。(この高度なレベルの統合によって、さらに多くの利点が得られることは後で説明しますが、最も明らかな利点であるボード スペースに今は焦点を当てましょう)。
ボードではプロセッサ、メモリ、FPGA、DSP用に複数の電源レールが必要になることが多いため、ほとんどのボード設計ではボード スペースの節約が倍増します。たとえば、デバイスのコア電圧は使用されているプロセスの種類によって異なり、I/O電圧は必要なインターフェースに基づいて変化し、アナログ回路ではまったく異なる電圧レベルが必要になる場合があります。したがって、複数の電源レールが必要な場合、単一の負荷ポイント電源管理サブシステムのボードスペース節約が各サブシステムに対して蓄積され、非常に大きな節約につながる可能性があります。
入力電圧の選択
最新のボード設計では、入力電圧範囲が拡大したコンバータが利用できるようになったため、電源レール (負荷ポイントとも呼ばれる) への主電源入力として、12V電源または5V電源のいずれかが選択されるのが一般的です。12Vコンバータを使用すると、ボードが接続されるシャーシ電源が12Vの場合、5V実装でよく必要となる12Vから5Vへの変換手順が不要になります。したがって、12Vソリューションは部品コストを削減し、動作効率を向上させることができます。
多くの場合、5Vソリューションには、12V実装によって提供される利点を上回る他の利点があります。多くの場合、設計に最も効率的なソリューションの範囲を定めるには、実装フットプリントに寄与する主要な要素を網羅した詳細な比較が必要になります。たとえば、5Vソリューションでは通常、動作周波数が高くなるため、コンデンサとインダクタのサイズが小さくなります。統合型5Vソリューションでは、ソリューション サイズをさらに小さくすることもできます。多くの場合、補償ネットワークの外部コンポーネント数は5Vソリューションの方が少なく、ボード スペースがさらに削減されます。
5Vソリューションでは、ボードごとに12Vコンバータが1つだけ必要で、追加されたボード スペースは各レールで償却されます。複数のレールを備えたシステムの場合、この追加されたボードスペースは無視できるほど小さくなる可能性があります。5Vポイント オブ ロード実装で節約されるボード スペースは、多くの場合、高電力でピン数の多いコンピューティング要素の近くになります。このスペースは、デバイスの配置、信号ルーティング、ノイズの影響を受けやすいという点でボードの他の部分に比べて制約がはるかに大きい傾向があるため、ボードの他の部分と比較して非常に価値があるとみなされることがよくあります。負荷ポイントが小さくなるとボード設計が簡素化され、追加のトレードオフが可能になり、ボードスペース、パフォーマンス、スケジュールの最適な組み合わせを実現できます。
12Vから5Vへのコンバーターを排除することで得られる効率性の向上は、多くの場合、負荷ポイントで5Vソリューションが提供するより高い効率によって相殺されます。単純な比較として、12Vから5Vへのコンバータが92% の効率で動作し、5Vから3.3Vへのコンバータが95% で動作する場合、システム全体の効率は全負荷で87.4% になります。全負荷時に88 ～ 89% で動作する12Vから3.3Vへのコンバータと比較すると、5Vソリューションは12Vソリューションと実質的に同じ効率で動作します。また、5Vポイント オブ ロード ソリューションの効率が向上すると、コンピューティング要素の近くで発生する熱が減少することにも注意してください。これにより、12Vソリューションがもたらすと考えられる全体的な効率上の利点がさらに軽減される可能性があります。
図2: 12Vから5Vへのコンバータの有無による効率の比較 (図は、現在はIntelの一部であるAlteraの提供)
5Vポイントオブロード ソリューションでは、その他の重要な利点も得られます。フットプリントが小さく、スイッチ周波数が高く、インダクタンスが低いため、個別のソリューションに比べて出力電圧リップルと精度が向上します。高度な統合により、個別のソリューションと比較して、電磁干渉 (EMI) パフォーマンスも向上します。放射EMIは、ループを流れる電流の変化率が高い (di/dtが高い) 場合に発生します。放射電力は電流ループの半径に比例し、R8によって減少するため、より統合されたソリューションで提供されるような小さな半径では、EMIの影響を大幅に低減できます。
見逃せないのは、開発サイクル中に統合ソリューションがもたらす利点です。Enpirion PowerSoCを使用した統合ソリューションでは、個別のソリューションよりも設計時間が短縮され、一般的な設計では最大45% も短縮されます。一般的な開発サイクル中に必要なステップの数は、個別のソリューションの場合、ほぼ3倍になることがあります。統合ソリューションを使用する場合、コンポーネントの選択、補償ネットワークの調整、時間領域分析とシミュレーションの実行などの手順は必要ありません。さらに、統合ソリューションを使用すると、エラーやバグが発生する可能性が大幅に減少します。これにより、開発スケジュールと開発コストの両方のリスクが大幅に軽減されます。競合他社と明確に差別化できる重要な機能ではなく、貴重なエンジニアリング時間を電源設計に費やす機会コストも考慮する必要があります。
ここで、これらの重要なトレードオフのいくつかを評価する方法をよりよく理解するために、具体的な実装を見てみましょう。
Altera EN6362QI高い統合性と小さなフットプリント
AlteraのEnpirionシリーズのEN6362QI 6A DC-DC降圧コンバータは、通常は外部サポート コンポーネントの多くを統合しながら高効率を実現し、優れた電力密度を提供します。EN6362QIは、インダクタ、電源スイッチ、ゲート ドライブ、コントローラ、補償をすべて小型の8 x 8 mm QFNパッケージに収めた完全な電源システムとして設計、特性評価、認定されています。これにより、設計者は、一般的な個別ソリューションよりも4倍優れた業界最高のFITレートを備えた低リスクのソリューションを利用できるようになります。
EN6362QIは、合計ソリューション サイズがわずか170 mm2でありながら、高性能FPGA、ASIC、DSP、プロセッサの正確な電圧と高速過渡要件を満たすように設計されています。下の図は典型的な実装を示しており、必要な外部コンポーネントの数が少ないことを示しています。ディスクリート ソリューションでは通常、最大7倍の面積が必要になりますが、この面積は高価値の機能を追加するために使用したり、ボード コストとフォーム ファクタ サイズを削減するために削除したりすることができます。
図3: AlteraのEN6362QI 6A PowerSoC DC-DCステップダウン コンバータ (図はAltera提供、現在はIntelの一部)
EN6362QIは、熱による定格低下なしに、産業用動作温度範囲全体にわたって6Aの連続動作電流を供給できます。 下の図3は、6A出力電流範囲でのEN6362QIの変換効率を示しています。この製品は、全出力電流範囲にわたってほぼ平坦な96% のピーク効率で動作するため、出力電流のニーズが変化するシステムに最適なソリューションとなります。これは、システム全体のコンピューティングと帯域幅のニーズの自然な変動に基づいて電力が「調整」されるシステムでは、ますます一般的な要件となっています。
図4: VIN = 5V、VOUT = 3.3VでのAlteraのEN6362QI効率 (図は、現在はIntelの一部であるAlteraの提供)
さらに、負荷過渡に対する応答を高速化することは、電力不足によるシステムの不安定化や、敏感なコンポーネントへの高電圧の持続による損傷の可能性を減らすために重要な要件です。これは、FPGA、DSP、高性能プロセッサ ベースのシステムのように、負荷要件が劇的に変化するシステムでは特に重要です。EN6362は、一般的なディスクリート ソリューションよりも低いインダクタンスと高いレギュレータ帯域幅の組み合わせにより、60 μsの応答時間を実現します。
結論
AlteraのEN6362QI PowerSoCソリューションは、ディスクリート電源ソリューションに比べて大きな利点を提供します。これらの利点には、PowerSoCのソリューション フットプリントが小さいことによるPCBコストの削減、実装のコンパクト化によるEMIパフォーマンスの向上、システム信頼性の向上などがあります。AlteraのEnpirion PowerSoCソリューションは、開発の高速化、容易化、低コスト化、低リスク化を実現し、市場投入までの全体的な時間を短縮します。 概要ビデオを視聴したり、データシートをダウンロードしたり、評価ボードを注文したりするには、以下のリソースにアクセスしてください。
Altera EN6362 PowerSoC製品ページおよび注文情報:
https://www.arrow.com/en/products/en6362qi/intel
比較図:
配給:
効率比較を示す図の例: