Китайский многофазный DC/DC источник — двойник с сюрпризом
Перед командой, которая занимается аппаратной разработкой сложных систем, часто встает вопрос валидации схемотехнических решений перед применением в боевых изделиях. Мы руководствуемся правилом, что новые решения в ответственных блоках необходимо заранее тестировать в реальных условиях (проводить макетирование), а не полагаться на одинокую документацию и расчеты. Как говорится: «Знаю технику безопасности как свои три пальца».
В этой статье я хочу поделиться тем, как мы разрабатывали, моделировали и запускали нашу отладочную плату на синхронном понижающем DC/DC преобразователе от китайской компании RYCHIP, модели RY91500A.
Микросхема позиционируется как решение для серверных применений, телекома и базовых станций. Производитель обещает до 40 A постоянного и 45 A пикового выходного тока при входном напряжении от 4 В до 18 В с возможностью подключения еще двух таких же источников, позволяя работать в трехфазном режиме и обеспечивать ток нагрузки до 120 А.
Нам она приглянулась, когда мы искали решение для формирования питания ядра SOC от 25 А до 45 А, которое найти не так просто: использовать полностью интегрированные источники (uModule) в наших устройствах расточительно, многофазные VRM контроллеры избыточны в данном диапазоне нагрузок.
Интегрированные источники питания давно захватывают рынок и становятся ключевым компонентом современных электронных систем за счет миниатюризации, энергоэффективности и надежности, поддерживая весь необходимый инженеру набор функций.
Решения на «рассыпухе» все больше уходят в прошлое и становятся уделом высокомощных систем и специализированных решений. Теперь все сложнее хвастаться красотой дискретного решения, когда интегрированное не хуже, а еще и дешевле.
Рассматривая RY91500A, мы заметили, что микросхема, вероятно, изготовлена по кросс-лицензии ( кросс-лицензирование). Решение сильно напоминает микросхему MP8796B от Monolithic Power Systems (MPS). С другой стороны, как мы увидим дальше, есть некоторые особенности и разночтения документации с «оригиналом». Официально, конечно же, эту информацию подтвердить нельзя, можно только предполагать.
При сравнительном анализе может показаться, что микросхемы действительно разные:
Реализация двух фаз RY91500A (слева) и MP8796B (справа).
Если дойти до функциональной схемы, можно испытать дежавю. Как говорится, найдите 10 отличий. И нет, мы не вырезали данные с картинок.
Функциональная схема RY91500A.
Функциональная схема MPS8796.
- вырезан блок PMBus в RY91500A,
- есть различия в адресации мастера и ведомого устройств,
- есть небольшая разница по обвязке пинов PASS, TAKE для синхронизации противофазы для нескольких устройств,
- есть разница в электрических характеристиках: к примеру, RDS(on) ключей RY91500A меньше, чем у «оригинала», отсутствует упоминание диапазона поддерживаемых выходных напряжений.
Упоминание PMBus функциональной схемы действительно отсутствует. С чем это связано — непонятно. PMBus изначально позволял обращаться к внутреннему контроллеру, например, сконфигурировать обратную связь, установить рабочие параметры. В нашем случае все эти вещи сконфигурированы заранее нашими азиатскими «партнерами».
Посадочные места отличаются значимо, это практически другой корпус. Когда попросили не списывать «точь-в-точь», и вы решили разработать свой вариант с невозможной pin-to-pin заменой «оригинала».
Посадочное место RY91500A.
Посадочное место MPS8796.
Схемотехника
RY91500A, входной фильтр и индикация на электрической схеме.
RY91500A и выходной фильтр на электрической схеме.
В проект закладывали следующие требования (на +25 °C без учета старения):
- два варианта исполнения: для одной фазы 20 А и двух фаз 40 А (по 20 А на фазу),- диапазон входных напряжений — 12 В ± 10%,
- диапазон выходных напряжений — от 0,8 В до 1,0 В, номинал 0,85 В ± 5%,
- точность стабилизации по постоянной нагрузке не хуже 1% от номинального выходного напряжения во всем диапазоне токов нагрузки,
- точность стабилизации по переменной нагрузке не хуже 3% от номинального выходного напряжения при 50% изменении тока нагрузки от холостого хода,
- пиковый шум не более 1% от номинального выходного напряжения во всем диапазоне токов нагрузки,
- возможность оценки входных и выходных токов, шумов и напряжений.
Почему всего 40 А с двух фаз? Чудес не бывает: хоть производитель и указывает 40 А с одной фазы, мы опасались проблем с температурой. И не зря, как увидим дальше по результатам тепловых испытаний и анализу потерь.
Для одной фазы реализовано классическое в подобных случаях дифференциальное подключение обратной связи по напряжению. Решение в первую очередь сокращает падение напряжения, возникающее под нагрузкой между источником и потребителем на проходных элементах и печатной плате. По умолчанию must have в задачах обеспечения питания малым напряжением с большими токами.
Часть пульсации выходного напряжения можно инжектировать в обратную связь для увеличения стабильности, но мы не увидели существенной разницы с инжекцией и без.
Для измерения динамических характеристик входа и выхода по напряжению с помощью осциллографа добавили в схему высокочастотные разъемы U.FL.
Схемотехнически заложили обвязку двух фаз как от RY91500A, так и от MPS8796, так как изначально не было полного доверия кросс-лицензированной микросхеме. Добавили блок безиндуктивной нагрузки с ее управлением (на рисунке не показана), индикацию и хороший запас различных конденсаторов на выходных фильтрах общей емкостью 1150 мкФ.
Топология
По разработке топологии мы закладывались под типовые сборки отечественных изготовителей, чтобы было здесь и сейчас. По фольге выбрали 35 мкм, так как ток с двух фаз в нашем решении мог достигать 40 А, для апробации микросхемы этого достаточно.
Стек печатной платы.
Общая толщина вышла стандартной: порядка 1,5 мм, четыре слоя.
В документации есть рекомендации по топологии. Правда, они достаточно стандартны. В целом следует аккуратно относится к рекомендациям по той же топологии, которые приводятся разработчиком микросхемы. Нередко там можно встретить примеры, оторванные от реальности, или вредные советы. В данном случае пример топологии далек от идеала, рекомендации текстом классические, включая «любимое» разделение на аналоговую и силовую земли.
Рекомендации по топологии от производителя RY91500.
Посадочное место легко проходит под стандартные правила большинства производителей печатных плат, и переживать по этому поводу не стоит.
Посадочное место RY91500A.
Так как фазы у нас две, и микросхемы, соответственно, две, то разработка топологии значительно упрощается с использованием функции Replicate, хоть и не с первого раза.В итоге плата после компоновки приобретает следующий вид:
Компоновка печатной платы для RY91500A, вид сверху.
А так выглядит верхний слой топологии:
Верхний слой топологии.
Управляющие сигналы было решено расположить на внутренних слоях, там вполне достаточно места между силовыми полигонами. Нижний слой было решено отдать под теплоотвод.
Нижний слой топологии.
В нашем маршруте разработки принято моделировать печатные платы и их узлы. Классически моделируются целостности сигналов для скоростных линий и проводится анализ PDN (Power Delivery Network) для силовых решений. Так как самое скоростное, что тут есть, это моргание светодиодов, то моделировали только плотности токов (карту падений напряжений отдельно не смотрели: плата небольшая и есть дальняя обратная связь по выходу), PDN имеет смысл моделировать в боевом силовом тракте, учитывая требования по питанию и профили потребления целевого SOC.
Моделирование помогает найти недочеты в топологии: как явные огрехи, так и неочевидные места. В данном случае используем Power DC от Cadence.
Результат моделирования при установленном потребителе – разъеме Х5.
Сначала можно испугаться и подумать, что ошиблись где-то в настройках моделирования или плохо спроектировали плату. Но на самом деле все дело в нюансах настроек моделирования в Power DC. Например, максимальная плотность тока 114 А/мм² выходила на основном земляном пине микросхемы, и эта цифра такая большая, так как по умолчанию PowerDC Cadence устанавливает одну точку (ноду) в центр большого пина, и считает, что весь ток будет стремиться в нее, хотя по факту это большой пин, через который ток будет «утекать» в микросхему в любом ее месте. Решается данное обстоятельство ручной настройкой (добавлением физических точек (нод) в моделирование) или установкой галочки в специальном секретном месте, а конкретно: при открытом проекте Tool – Option, вкладка Accuracy Mode, галочка Enable accuracy mode. По умолчанию расстояние между нодами — 50 мкм.
Результат моделирования на DA3 RY91500A при выключенном Accuracy Mode.
Результат моделирования на DA3 RY91500A после включения Accuracy Mode.
По ГОСТ 23751-86, п. 2.4.4, имеем ограничения для гальванической меди 100 А/мм², это достаточно высокая плотность тока. По-хорошему на самих полигонах меди мы стараемся выдерживать не более 40-50 А/мм², как тут и получилось.
После решения всех проблем можем включить векторный режим отображения распределения токов, порадоваться, что спроектировали плату правильно, и немного расслабиться.
Режим векторного распределения плотности токов в Cadence Power DC.
- выходное напряжение – 0,85 В,
- пиковый ток отладки – 50 А,
- максимальный ток – 40 А.
Формы пульсаций на выходе импульсных источников заслуживает отдельного обсуждения. Во-первых, по характеру осциллограмм можно выявлять особенности поведения источника: стабильность, выбор компонентов силового звена, проблемы ЭМС и т.п. Во-вторых, сами методы измерения и используемое оборудование очень важны для получения достоверных результатов, иначе будем бороться с черной кошкой в черной комнате.
Полезных статей на эту тему в интернете достаточно. В частности рекомендую обратить внимание на обзор от Richtek ( Output Ripple Measurement Methods for DC-DC Converters II), где рассматривается сценарий выходных пульсаций, похожий на наш.
Обнаруженный артефакт похож на электромагнитную наводку, возникающую в измерительной цепи. Даже при минимальном (порядка 2 мм) радиусе петли, образованной коаксиальным щупом осциллографа и конденсатором, наблюдается искажение результатов измерений с завышением реальных значений пульсаций на 30-40%.
В документации производитель тоже столкнулся с этим эффектом при измерении и оставил это как есть. На синем графике напряжение на выходной емкости резко изменяется в виде «шпильки» (выделено красным), чего не ожидаешь увидеть.
Голубой график — ШИМ.
Выходное напряжение на емкости со стороны силового дросселя из документации на RY91500A.
Чтобы ослабить этот эффект и подтвердить гипотезу, подключались щупом с обратной стороны, продев измерительный провод через переходное отверстие. Земляные полигоны неплохо фильтруют помехи, создаваемые дросселем (спасибо меди, многослойной плате и распространению ЭМ волн в слоистых средах с проводимостью).
Благодаря этому смогли более точно измерить пульсацию на выходной емкости: вместо 7,8 мВ, полученных на стороне печатной платы, где расположены дроссели, получили 5,9 мВ на том же конденсаторе при измерении с обратной стороны печатной платы.
Желтый — пульсации выходного напряжения, снимаемые методом, описанным выше, синий — ШИМ с двух фаз. Результаты ШИМ здесь и далее снимались гальванически развязанным методом (бесконтактное измерение одновитковой антенной), чтобы исключить петлю по земле и вносимые в связи с этим помехи. Из-за этого приводимые далее сигналы ШИМ на графиках представлены лишь для оценки пульсаций и носят безразмерный характер. Разница в амплитудах ШИМ вызвана расположением антенны между двумя источниками.
Пульсации на выходной емкости со стороны силового дросселя, измерения со стороны силового дросселя (слева) и с обратной стороны печатной платы (справа).
Выходные пульсации
Выходная пульсация снимается через ВЧ разъем IPEX UF.L на выходе платы.
Холостой ход. Желтый — пульсации выходного напряжения, синий — ШИМ с двух фаз.
Выходная пульсация на холостом ходу.
40 А. Желтый — пульсации выходного напряжения, синий — ШИМ с двух фаз.
Выходная пульсация на 40 А
Здесь нужно отметить, что алгоритм FCCM включает в себя режим CCM на полной и близких к полной нагрузках, и различия начинаются только на малых нагрузках, когда преобразователь CCM переходит в «режим прерывистого тока» DCM (Discontinuous Conduction Mode), а FCCM остается в «режиме непрерывного тока». Но как преобразователь может оставаться в «режиме непрерывного тока» на малых нагрузках и тем более на холостом ходу? Ведь, если нагрузки нет, куда течь току?
FCCM имеет принципиальные отличия в работе силовых ключей.
Верхний ключ:
- работает с постоянной скважностью, определяемой соотношением Vin/Vout,
- передает на выход максимальную энергию независимо от нагрузки.
Нижний ключ:
- в режиме полной нагрузки функционирует как синхронный выпрямитель (аналогично CCM),
- при снижении нагрузки переходит в режим DEM+PWM, рекуперируя избыточную энергию обратно на вход. Ток в силовом дросселе в этом режиме разворачивается по направлению (reverse current), на графике отмечен красным цветом,
- обеспечивает стабилизацию выходного напряжения за счет обратного преобразования (boost-режим).
Сравнение режимов работы DCM (слева) и FCCM (справа).
Главные недостатки режима:
- сниженный КПД (особенно заметный на малых нагрузках),
- выраженные тактовые пульсации,
- привязка рабочей частоты и индуктивности к соотношению Vin/Vout. Стабилизировать источник в широком диапазоне входных напряжений при фиксированном выходном, частоте и индуктивности сложно или невозможно.
Однако, у этого подхода есть и преимущества:
- пульсации стабильны по амплитуде и частоте на любых нагрузках,
- отсутствие пропуска импульсов и DCM режима как такового, что дает предсказуемый и малый шум на выходе источника во всех диапазонах нагрузок и разительно уменьшает звон на выходе ключей (перед индуктивностью),
- фиксированная рабочая частота (проще фильтровать и экранировать),
- быстрый отклик на импульсное изменение нагрузки.
Благодаря этому выходной емкостной фильтр в Forced-PWM хоть и требует значительного количества керамических конденсаторов, оказывается более предсказуемым в расчетах.
Для чего входной фильтр? В «боевой» плате 12 В шина питания является общей для первой ступени преобразования напряжения. Принудительно разнести все импульсные источники по частотам и фазам в нашей задаче не представляется возможным в виду сложности и количества самих источников, поэтому каждый понижающий источник развязывается CLC фильтром по входу, чтобы снизить взаимное влияние друг на друга. В случае понижающих импульсных преобразователей входной ФНЧ снижает уровень помех, создаваемых источником из-за ключевого режима потребления (прерывистый ток), и спектры напряжения с током в 12В шине питания становятся чище, что уже благоприятно сказывается на ЭМС. Все-таки хочется разработать материнскую плату, а не всенаправленный излучатель размерами с EATX.
Пульсация до входного фильтра (по входу источника). Холостой ход и нагрузка 40 А.
Желтый — пульсация входного напряжения, синий — ШИМ с двух фаз.
Входные пульсации до фильтра при режиме холостого хода (слева) и нагрузки 40 А (справа).
Пульсация после входного фильтра (на входном разъеме). Холостой ход и нагрузка 40 А.
Желтый — пульсация входного напряжения, синий — ШИМ с двух фаз.
Входные пульсации после фильтра при режиме холостого хода (слева) и нагрузки 40 А (справа).
Стабилизация выхода относительно нагрузки:
| Параметр и условия | Величина |
|
Выходное напряжение, В; Холостой ход |
0,856 |
|
Выходное напряжение, В; Нагрузка 40 А |
0,8545 |
| Отклонение от номинала выхода, % | 0,7 |
Пульсации по входу и выходу относительно нагрузки:
| Параметр и условия | Величина |
|
Входные пульсации после фильтра, мВ; Холостой ход |
1,8 |
|
Входные пульсации после фильтра, мВ; Нагрузка 40 А |
5,2 |
| Размах от номинала входа, % | 0,04 |
|
Выходные пульсации, мВ; Холостой ход |
4 |
|
Выходные пульсации, мВ; Нагрузка 40 А |
5,6 |
| Размах от номинала выхода, % | 0,66 |
Динамическое отклонение выходного напряжения при резком увеличении нагрузки с холостого хода до 50% (в итоге на выход добавлена вторая полимерная емкость 470 мкФ):
| Параметр и условия | Величина |
|
Провал, мВ; Холостой ход на 20 А |
17 |
| Размах от номинала выхода, % | 2 |
Здесь мы в общем бюджете, так как измерения проведены от пика до пика с учетом пульсаций.
Как и ожидалось, заявленные 40 А на фазу оказались традиционной ловушкой. Падение КПД начинается с 10 А на фазу, а после 25 А на фазу микросхемы начинают заметно нагреваться. После 30А нагрузки, мы слегка подули на плату, использовав небольшой серверный вентилятор с потоком около 250 CFM, чтобы узнать, что будет с микросхемой при номинальной нагрузке 40А на каждую фазу, ведь производитель утверждает, что она сдюжит. Принимаем температуру окружающей среды +25 °C.
При измерении КПД точки съема входных и выходных напряжений были расположены непосредственно на входных и выходных конденсаторах фильтра, расположенных рядом с микросхемами преобразователя. Таким образом мы убрали из измерений КПД потери на входном и выходном трактах.
График потерь от тока нагрузки двухфазного преобразователя.
При нагрузке 20 А на фазу (суммарно 40 А) вышло порядка 70 градусов на чип.
Тепловые испытания платы при нагрузке 40 А без принудительного обдува.
| Точка измерения | Температура |
| RY91500A 1 фаза (Spot 1) | 73,33 °С |
| Дроссель 1 фаза (Spot 3) | 64,61 °С |
| RY91500A 2 фаза (Spot 2) | 75,09 °С |
| Дроссель 2 фаза (Spot 4) | 64,44 °С |
| Силовой полигон (Spot 5) | 60,21 °С |
При нагрузке по 30 А на фазу (заявлено до 40 А) через несколько секунд температура на модуле составит:
Тепловые испытания платы при нагрузке 60 А без принудительного обдува.
| Точка измерения | Температура |
| RY91500A 1 фаза (Spot 1) | 139,21 °С |
| Дроссель 1 фаза (Spot 3) | 97,25 °С |
| RY91500A 2 фаза (Spot 2) | 142,04 °С |
| Дроссель 2 фаза (Spot 4) | 97,16 °С |
| Силовой полигон (Spot 5) |
79,62 °С |
Микросхема сразу же уходит в защиту и начинает перезапускаться. Без дополнительного теплоотвода здесь не обойтись. При такой температуре внутренние транзисторы микросхемы имеют уже достаточно большое сопротивление, и КПД начинает падать.
График зависимости КПД от нагрузки RY91500A
Проведенные испытания подтвердили работоспособность решения: двухфазная схема демонстрирует стабильную работу при токе до 40 А с ключевыми характеристиками:
- пиковые пульсации выходного напряжения ≤1%,
- отклонение при постоянной нагрузке ≤1%,
- отклонение при переменной нагрузке 0-20 А ≤3%.
Для серийного применения решение выглядит перспективным, особенно с учетом стоимости решения, стабильности поставок и предсказуемого поведения.
Простота концепции на бумаге часто обманчива. Как показывает наша практика, даже, казалось бы, очевидные решения требуют тщательной экспериментальной проверки перед внедрением в серийные изделия.
Ссылка на источник
