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So versorgen Sie Prozessoren und FPGAs platzsparend mit Strom

| Autor / Redakteur: Andreas Dirschl * / Margit Kuther

Ein allzu bekanntes Problem: Der Platz auf der Platine ist knapp, dabei sind noch etliche Komponenten mit Strom zu versorgen. Lesen Sie, wie sich das Problem mit speziellen Power-Management-Modulen lösen lässt.

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Komplettlösung für die Prozessor- oder FPGA- Stromversorgung: Das Power-Modul MPS MPM54304 mit Quad-Ausgang und I²C-Schnittstelle in einem ultra-dünnen LGA-Gehäuse.
Komplettlösung für die Prozessor- oder FPGA- Stromversorgung: Das Power-Modul MPS MPM54304 mit Quad-Ausgang und I²C-Schnittstelle in einem ultra-dünnen LGA-Gehäuse.
(Bild: MPS)

Es ist immer dasselbe: Es wird wieder einmal eng – kein Platz mehr auf dem PCB und die Kollegen aus der Konstruktion wollen ihr Gehäuse einfach nicht größer machen. Der Kollege redet sich leicht, der eben noch augenzwinkernd bemerkt hat, was man denn habe. Solange man noch den grünen Lötstopplack sehe, könne es doch gar nicht so schlimm sein mit dem Platzmangel.

Dabei müssen noch vier Schaltregler auf die Leiterplatte, das FPGA will versorgt werden. Es ist verdammt schnell, aber – von nichts kommt nichts – stromhungrig. Und zu allem Überfluss ist auch noch auf die korrekte Power-on-Sequenz zu achten. Was gerne vergessen wird: fast immer auch auf die korrekte Power-off-Sequenz. Und spätestens hier wird es dann kompliziert bei diskretem Aufbau.

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In solchen Fällen macht einem MPS mit dem MPM54304 das Leben etwas leichter. Dabei handelt es sich um mehr als nur um ein Power-Management-IC (PMIC) mit vier integrierten Bucks. Das MPM54304 ist ein Power-Management-Modul, das vier hoch effiziente synchrone Step-Down-DC-DC-Regler in einem PMIC vereint und zusätzlich auch die vier Power-Induktivitäten mit integriert, zusammen mit einem flexiblen Logikinterface, programmierbar per I2C-Bus, sodass Ausgangsspannungen, Power-up-Sequenz, Slew Rate und vieles mehr per Software konfigurierbar sind.

Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Leistung

Der Eingangsspannungsbereich zwischen 4 und 16 V (18 V abs. max.) eignet sich hervorragend für die üblichen 5-, 9- oder 12-V-Eingangsspannungsrails. Die vier Step-Down-Wandler können dabei auf Ausgangsspannungen zwischen 0,55 und 7 V regeln und ihre Lasten mit bis zu je 3 A auf den Ausgängen 1 und 2 sowie je 2 A auf den Ausgängen 3 und 4 versorgen. Ein Parallelbetrieb von jeweils zwei der Ausgänge ist möglich, dann kommt man auf 6 bzw. 4 A Ausgangsstrom. Es ist also genug Leistung vorhanden, um auch etwas ernsthaftere Prozessoren oder FPGAs versorgen zu können. Auch umfangreiche Schutzbeschaltungen, u.a. gegen Unterspannung, Überstrom und thermische Überlast, sind selbstverständlich integriert.

COT-Topologie erlaubt schnelle Antworten auf Transienten

Die moderne Constant-on-time- (COT) Regel-Topologie garantiert schnelle Antworten auf Transienten. Verglichen mit traditionellen Current-Mode-Reglern ist dabei der Aufbau der Regelung relativ einfach. Die Ausgangsspannung wird intern oder extern über einen Feedback-Teiler zurückgelesen und auf den invertierenden Eingang eines Komparators geführt. Auf dem nichtinvertierenden Eingang liegt die Referenzspannung. Wenn die heruntergeteilte Ausgangsspannung unter die Referenzspannung fällt, wird ein Puls mit fester Breite ausgelöst (Constant-On-Time), der den High-Side-MOSFET einschaltet.

Im Resultat wird am Tiefpunkt des Ausgang-Ripples geschaltet. Mit fallender Flanke des Pulses wird der High-Side-MOSFET wieder ausgeschaltet (und nach entsprechender Totzeit der Low-Side-MOSFET eingeschaltet). Der MPM54304 benötigt dabei kein externes Kompensationsnetzwerk, die Rampengenerierung wird intern erledigt, was Platz spart und vor allem auch Zeit beim Design.

Integrierte Induktivitäten sparen Platz

Durch den Modulaufbau kann MPS optimierte Induktivitäten integrieren, was der Baugröße zugutekommt. Als Ergebnis steht dann ein „Modul“, das sich sehen lassen kann. Das MPM54304 kommt in einem ultra-dünnen LGA-Gehäuse mit gerade einmal 7 mm x 7 mm x 2 mm, sodass es neben den herkömmlichen ICs auf dem PCB nicht weiter herausragen wird. Zumindest nicht in der Bauhöhe – hinsichtlich Performance, Stabilität und Flexibilität natürlich umso mehr.

Durch die 1,5 MHz Schaltfrequenz sind kleine Keramik-MLCCs als Ein- und Ausgangskondensatoren ausreichend, was den Flächenverbrauch der Lösung weiter reduziert. Das Pinout wurde überlegt gewählt, sodass die optimale Platzierung der wenigen verbliebenen nötigen Komponenten (oft nur der Ein- und Ausgangskapazitäten) einfach zu bewerkstelligen ist und das Fanout auch mit dicken Leiterbahnen kein Kopfzerbrechen bereitet. Das Anfahren der Pins mit dicken Traces ist eh eine gute Idee.

MPS mit dem MPM54304: Wirkungsgrad versus Laststrom
MPS mit dem MPM54304: Wirkungsgrad versus Laststrom
(Bild: Codido)

Wie bei MPS üblich ist das Modul in Flip-Chip-Technik aufgebaut. Der Chip liegt „umgedreht“ auf dem Leadframe und wird über Kupferbumper kontaktiert, die aufwendig galvanisch aufgebracht werden. Bondingdrähte mit hoher parasitärer Induktivität und schlechter Wärmeleitfähigkeit gehören so der Vergangenheit an. Dies ermöglicht dann auch die direkte Wärmeabfuhr über die Pins, die Kupferbumper bringen den Wärmewiderstand weiter nach unten. So werden die kleinen Bauformen erst möglich.

Natürlich muss man sich auch trotz dieser ganzen Maßnahmen und der hohen erreichbaren Effizienz von zum Teil weit über 90% um das Wärmemanagement kümmern. Die Physik ist nach wie vor gültig und auch kleine Verluste verursachen bei entsprechend hoher Leistung Wärme, die abgeführt werden will. Früher waren dafür häufig voluminöse und teure Kühlkörper nötig. Diese Zeiten gehören heutzutage zum Glück der Vergangenheit an. Die Wärmeabfuhr beim MPM54304 erfolgt über das Kupfer der Leiterplatte. Je nach deren Aufbau richtet sich dann auch die mögliche maximale mit dem Baustein zu erzielende Leistung. Es gibt hierfür Layoutvorschläge im Datenblatt.

MPM54304: Übersicht über die Architektur
MPM54304: Übersicht über die Architektur
(Bild: Codido)

Werden die Pins mit entsprechend breiten Leitungen angefahren und eine schöne Massefläche auf der Innenlage oder BOT gut thermisch angebunden steht man für gewöhnlich schon ganz gut da. Soll der Baustein allerdings an die Grenzen der Spezifikationen gebracht werden, ist es unerlässlich, sich über das thermische Management Gedanken zu machen.

Wir haben es hier also mit einem echten Platzwunder zu tun, wenn es mal wieder eng wird. Für eine typische Lösung sind incl. Hühnerfutter ca. 120 mm² zu veranschlagen. Für vier komplette Schaltregler, bei 2 mm Bauhöhe – nicht so schlecht!

Minimale Emissionen dank kleiner Stromschleifen

Der kompakte Aufbau kommt natürlich den EMV-Eigenschaften zugute. Der Schaltregler bleibt auch heute noch einer der Top-Kandidaten, wenn es um die Suche nach dem Verursacher von EMV-Problemen geht. Die Ströme werden immer größer, die geforderten kleinen Baugrößen sind nur mit höheren Schaltfrequenzen (mit entsprechend steilen Flanken) zu erreichen.

Bei nicht optimaler Bauteilauswahl, Platzierung oder Layout werden die geforderten Grenzwerte schnell überschritten. Die nervige Fehlersuche beginnt, und es ist besonders ärgerlich, wenn bei fortgeschrittenem Design dann nochmals eine Runde gedreht werden muss. Zumal oft im Layout der Hund begraben liegt. Das Schaltreglermodul hat hier einen entscheidenden Vorteil.

MPM54304: Empfohlenes PCP Layout
MPM54304: Empfohlenes PCP Layout
(Bild: Codido)

Durch die Integration der Induktivität auf dem Leadframe werden die Flächen der aufgespannten Stromschleifen unschlagbar klein, mit entsprechend positiven Wirkungen auf die Abstrahlung. Natürlich muss trotzdem auch beim Schaltreglermodul auf entsprechend dimensionierte und richtig platzierte Ein- und Ausgangskondensatoren (MLCCs sind hier für gewöhnlich ausreichend und das Mittel der Wahl) bzw. evtl. vorhandener Komponenten im Feedbackzweig geachtet werden, falls externe Feedbackteiler verwendet werden. Aber das Leben wird hier dem Designer definitiv leichter gemacht, wozu auch das überlegte Pinout beiträgt.

Ein weiterer Vorteil der vier integrierten Regler: die vier Bucks schalten um jeweils 90° phasenverschoben, sodass die Schaltflanken sich nicht addieren und hohe Spikes in den Emissionen verursachen. Bei diskretem Aufbau ist dies nicht so einfach möglich. Beim MPM54304 sind die Phasenlagen sogar programmierbar. Wie auch sonst so einiges.

Die integrierte I2C-Schnittstelle ist voll programmierbar

Durch die integrierte I2C-Schnittstelle ist der MPM54304 voll programmierbar. Er startet aus dem Reset mit seinen Default-Werten. Er kann dabei von MPS schon mit dem jeweiligen gewünschten Registersatz programmiert geliefert werden. Der Entwickler konfiguriert mit dem MPS-Evaluation-Board, dem mitgelieferten USB-I2C-Dongle und der MPS-GUI ganz einfach den Baustein entsprechend seinen Anforderungen und kann ihn ausgiebig testen. Das Programmierfile kann dann über Codico an MPS übermittelt werden, es wird eine eigene Partnumber generiert und der Baustein gleich in der Fab von MPS programmiert und getestet, sodass man den perfekt auf die Schaltung abgestimmten Regler fertig kaufen kann und kein zusätzlicher Programmieraufwand und Test in der Fertigung anfällt.

Typische Anwendung mit MPM54304: 4 V bis 16 V Input und Quad Output
Typische Anwendung mit MPM54304: 4 V bis 16 V Input und Quad Output
(Bild: Codido)

Natürlich kann der Baustein auch On-the-Fly im Betrieb umprogrammiert werden, z.B., wenn eine Spannung nachgeführt werden soll, in einem bestimmten Betriebszustand der Leichtlastmodus aktiviert werden soll, um Strom zu sparen, oder umgekehrt in den Forced-PWM-Modus geschalten werden soll, um den Ausgangsripple zu reduzieren und Frequenzschwankungen zu verhindern. Die geänderte Konfiguration kann dann bis zu drei Mal in einer OTP-Registerbank abgespeichert und so die Grundkonfiguration überschrieben werden.

Die Ausgangsspannung lässt sich im Bereich von 0,55 bis 5,4 V über Verstellen der Referenzspannung sowie Zuschalten eines internen 1:3-Spannungsteilers einstellen. Auf einen externen Feedback-Spannungsteiler kann so oft verzichtet werden, was wieder einige Bauteile einspart und falsch eingestellte Ausgangsspannungen durch Bestückungsfehler verhindert.

Viele Prozessoren und FPGAs, die mit mehreren Spannungs-Rails versorgt werden, verlangen Power-on- und Power-off-Sequenzen. Während ersteres noch mit einer Verschaltung von mehreren Schaltreglern (jeweils Power-good-Ausgang auf Enable-Eingang des Reglers der nächsten Rail) zu bewerkstelligen ist, mit entsprechendem Layout-Aufwand, ist letzteres nur komplizierter zu haben und wird ohnehin gerne vergessen, obwohl es in den Spezifikationen der Bausteine gefordert ist. Wird schon gutgehen… Mit dem MPM54304 ist das ganze einfacher zu haben. Die Timeslots der Power-on- und Power-off-Sequenz werden per I2C programmiert.

Die Schaltfrequenz kann im Bereich von 533 kHz bis 1,6 MHz in vier Stufen eingestellt werden, je nach Anforderungen der Schaltung. Ebenso die Thresholds die Over-Current- und Over-Voltage-Protection. Auch der Softstart, also das geregelte Hochfahren der Referenz beim Power-up, um Überschwinger auf den Rails zu vermeiden, ist einstellbar und kann so an die jeweiligen Ein- und Ausgangskapazitäten angepasst werden.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 13/2020 (Download PDF)

Evaluation Board zum Ausprobieren

Sie haben ein Projekt im Sinn und wollen den MPM54304 ausprobieren? Dann stellt Ihnen Codico gerne ein Evaluation-Board zur Verfügung.

* Andreas Dirschl ist Field Application Engineer bei der Codico Deutschland GmbH in München.

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