S kompletními mikroměniči TDK nevyčníváte. Vyrostly do 1,2 mm

Napájecí zdroj může být ve své podstatě oslavou inženýrského umu, ale navenek se přesto nemusí tvářit zase tak složitě. Co kdyby si okolo sebe vystačil pouze s několika málo kapacitami či rezistory? To je pro spínané měniče, provozované rovnou v místě zátěže, velmi důležité. Nepatrné mikromoduly nevyjímaje.

Nesupluje hlavní zdroj

Tříampérový snižující blok s vlastní indukčností, oběma silovými tranzistory, jejich budiči a také nezbytným řízením dnes nezabere spoustu místa. Firmě TDK se kupříkladu povedlo vše natěsnat do pouzdra o velikosti 2,5 × 2,5 × 1,2 mm. Výrobce tak sice nepočítá s možností galvanického oddělení, ale to pro DC/DC zdroje, napájející optické moduly v „AI edge“ systémech nebo i řadě dalších návrhů s nedostatkem volného místa, vůbec nevadí. Proč?

Důvod spočívá v samotné architektuře napájení. Zmíněný čip totiž neřeší bezpečnost na úrovni celé desky, ale funguje jako tzv. měnič PoL (Point-of-Load), situovaný přímo v místě odběru. Zde také reaguje na extrémní prostorovou tíseň společně s požadavky na vysokou účinnost, přesnou regulaci nebo i svižnou odezvu. Spoléhá přitom na to, že potřebnou izolaci už společně s hrubou filtrací zařídil na vstupu do systému hlavní napájecí zdroj. Z povahy věci proto efektivně obslouží nejen optickou komunikaci, ale také hradlová pole FPGA, systémy SoC, signálové procesory DSP, speciální obvody ASIC nebo nově vznikající čipsety pro umělou inteligenci. Výrobce skloňuje drony, robotiku, internet věcí, průmyslové aplikace, úložiště, přenosná zařízení nebo jen takovou náhradu lineárního stabilizátoru za systém s rostoucí účinností. Pokud nám ovšem nevadí spínaná povaha drobného integrovaného mikroměniče.

I²C ano, ale ne tady

Oficiální květnová novinka FS3303, kterou jsme již na stránkách DPS Elektronika od A do Z krátce představovali, zde vystupuje jako první zástupce klíčového rozšiřování nabídky mimořádně kompaktních modulů rodiny μPOL™ [1],[2]. Ve společnosti TDK je souhrnně prezentují coby nový typ neizolovaného snižujícího DC/DC měniče (Buck), který máme po hardwarové stránce vybavený vším potřebným – a to včetně výkonových MOSFETů nebo nedílné indukčnosti na výstupu. Stabilitu napájecího systému ošetřuje přímo na čipu, takže již nemusíme nic externě kompenzovat. Výrobce rovněž láká na číslicovou komunikaci I²C nebo představu, kdy zvnějšku doplňujeme pouze vstupní či výstupní kapacitu.

V případě verze FS3303 [3] však bude situace malinko jiná – sériové rozhraní I²C zde nečekejte. Firma TDK se podle všeho snažila vytvořit co nejmenší modul a na spodní straně už nezbylo místo pro vyvedení dalších plošek, aniž by se muselo pouzdro dále zvětšovat. A typická aplikace v optických modulech ani sběrnici I²C nepotřebuje – její rozšiřující funkce by zde byly zbytečné. Místo digitální správy jde spíše o jednoduchost spojenou s analogovou definicí napětí a přístupem „plug-and-play“. Spočítají se jen dva rezistory, jejichž odpor lze kdykoli flexibilně změnit, zatímco skladem držíme jeden jediný typ součástky.
 

Třemi ampéry to začíná

Nové moduly FS3303, určené k tzv. vertikálnímu napájení [4], počítají s rozsahem vstupního napětí 2,75 V až 5,5 V a při okolní teplotě do +90 °C dodají trvale proudy o velikosti až 3 A, zatímco s omezeným výkonem lze ještě pokračovat až do +125 °C. Slibují výchozí přesnost ±0,5 %, aktivační vstup Enable i signalizaci Power-Good s „otevřeným kolektorem“ (interně máme ve skutečnosti zapojený pull-up rezistor 440 kΩ). V systému s pulzně – šířkovou modulací nechybí ani řada ochran, včetně měkkého startu. A špičková účinnost zapojení? Ta dosahuje zhruba 95 %. V aktuální dokumentaci se potkáváme se standardní, a jedinou, verzí FS3303-0400-AL, řešenou na způsob 14vývodového pouzdra typu LGA-SiP. S ohledem na uzavřenou smyčku a trimování rovnou ve výrobě je pro ni příznačné právě výstupní napětí 0,40 V. Jak jsme již uvedli, vše ostatní, a to až pro výstupy do velikosti 3,3 V, musí nyní obstarat odporový dělič.

Výrobce ilustruje možnosti na příkladu tříampérového napájecího zdroje o výstupním napětí 1,2 V, který na vstupu obdrží V_IN = 3,3 V. Definuje přitom napěťové zvlnění výstupu ±0,5 % nebo maximální související odchylku (deltu) ±3 %, platnou pro změnu v zatížení 1,5 A. Jak na vstupní, tak i výstupní straně si pokaždé vystačíme s jedinou vícevrstvou kapacitou MLCC keramického typu o velikosti 22 μF v provedení 0805, klidně od stejné firmy TDK. Zmíněné kondenzátory zde obvykle zvládnou dvouampérové průtoky (RMS), aniž by se zahřály o více než 5 °C. V našem případě bude I_RMS činit 1,44 A. Co když ale máme mikromodul od vstupního zdroje poněkud vzdálený? I to se může stát a vzniklou situaci napraví dodatečná kapacita v rozmezí 68 až 330 μF. Rezistory budou ve vzájemném poměru dva ku jedné, takže ještě přičteme jedničku a referenčních 0,4 V nakonec vynásobíme třemi.

Dřív či později ale přestanou stačit i 3 A a vývojáře pak nespasí ani slibná hustota 400 A/cm³. Z pohledu širší rodiny se naštěstí stále držíme hodně „při zemi“, takže stačí pouze zvolit jiné řešení s vyšší proudovou zatížitelností. Moduly μPOL™ mají stále co nabídnout. A nebojte, milimetry znovu zůstanou. Jen se třeba v zapojení s osmi 25A regulátory FS1525 o rozměrech 6,80 mm × 7,65 mm × 3,82 mm dostaneme až k odběrům na úrovni 200 A [5]. Indukčnosti nebo i výkonový stupeň jsou opět jejich nedílnou součástí a ke slovu se konečně dostane též I²C či PMBus™. Příp. si ještě počkáme na ohlášené novinky s výstupy do 80 A. Výška mezi 1,2 až 1,7 mm? To vypadá velmi slibně [1].

Odkazy:

[1] Tisková zpráva, https://www.tdk.com/en/news_center/press/20260519_01.html

[2] DC/DC měniče µPOL™, https://product.tdk.com/en/products/power/switching-power/micro-pol/index.html

[3] Moduly FS3303, https://product.tdk.com/system/files/dam/doc/product/power/switching-power/micro-pol/data_sheet/fs3303_datasheet.pdf

[4] Next-Generation Vertical Power Design for Compact and High-Performance FPGA, SoC, and ASIC, https://product.tdk.com/en/techlibrary/solutionguide/solution-fpga-soc-asic.html

[5] Moduly FS1525, https://product.tdk.com/system/files/dam/doc/product/power/switching-power/micro-pol/data_sheet/fs1525_datasheet.pdf

robenek@dps-az.cz