Densidad de potencia real: 26A μEl controlador del módulo se mantiene fresco en espacios reducidos

Cada generación de procesadores de gama alta, FPGAs y ASICs exige más energía, pero aunque se espera que las fuentes de alimentación soporten cargas mucho más pesadas, tienen menos espacio en las placas para hacerlo. Ahora es habitual que las fuentes de alimentación POL (punto de carga) produzcan múltiples raíles de tensión de decenas de amperios a más de cien amperios a tensiones de salida bajas, ≤1V, y en menos espacio que la generación anterior.

Las fuentes de alimentación que deben manejar altas corrientes de carga y encajar en espacios reducidos suelen ser juzgadas principalmente por su densidad de potenciao vatios/cm². De hecho, muchas de las últimas fuentes de alimentación y soluciones discretas presumen de unas densidades de potencia impresionantes: los fabricantes de fuentes de alimentación parecen ser capaces de extraer cada vez más potencia de paquetes pequeños. Por desgracia, hay un gran problema detrás de los increíbles aumentos de la densidad de potencia. (Ver "El verdadero coste de la densidad de potencia" más abajo)

La disipación del calor es un gran problema para las corrientes altas y las tensiones bajas. En muchos sistemas, el aumento de la densidad de potencia en realidad agrava el problema, porque más potencia en menos espacio también aumenta la densidad de pérdida de potencia, es decir, más calor calor en menos espacio. No basta con colocar una fuente de alimentación de alta potencia en una placa: también hay que evaluar cuidadosamente la pérdida de potencia y la resistencia térmica de la solución, dos parámetros que pueden hacer o deshacer un buen controlador. Las afirmaciones de alta densidad de potencia pueden ser impresionantes, pero las promesas hechas por estas afirmaciones son vacías si el calor generado por la fuente de alimentación no se gestiona eficazmente.

El LTM4620 resuelve la real el problema de la densidad de potencia comprimiendo un regulador completo de doble salida en un encapsulado LGA de 15 mm × 15 mm × 4,41 mm que está diseñado de forma exclusiva para minimizar la resistencia térmica y simplificar así la gestión térmica. El paquete incluye un disipador térmico interno y otras características avanzadas que garantizan una disipación eficaz del calor en la parte superior e inferior, lo que le permite funcionar con corrientes de carga máximas incluso en entornos de alta temperatura.

La figura 1 muestra el encapsulado LGA LTM4620 de 15 mm × 15 mm × 4,41 mm. Un solo dispositivo puede proporcionar dos salidas independientes de 13A (Figura 4) o una única salida de 26A (Figura 5). Se pueden combinar varios LTM4620 para producir desde 50 A hasta más de 100 A (Figura 7).

Cuidado con el calor

El calor no deseado es un reto importante para los diseñadores de sistemas electrónicos de alto rendimiento. Los procesadores modernos, las FPGAs y los ASICs personalizados disipan cantidades crecientes de energía a medida que aumenta su temperatura. Para compensar estas pérdidas de potencia, las fuentes de alimentación deben aumentar su potencia de salida. Esto, a su vez, aumenta la disipación de energía de las fuentes de alimentación, aportando calor adicional a un sistema ya caliente, y así sucesivamente. Si el calor no se elimina con la suficiente rapidez, la temperatura de todo el sistema puede aumentar hasta el punto de que la mayoría de los componentes tengan que reducirse para compensar.

Los ingenieros de sistemas y térmicos dedican mucho tiempo y energía a modelar y evaluar sistemas electrónicos complejos para eliminar el calor no deseado del sistema. Los ventiladores, las placas frías, los disipadores de calor e incluso la inmersión en un baño de refrigeración son estrategias que los ingenieros han aplicado para vencer el calor. El tamaño, el peso, el mantenimiento y el coste de la refrigeración se convierten en una parte importante del presupuesto de ingeniería y fabricación.

A medida que los sistemas añaden funciones y prestaciones, el calor sólo puede aumentar. La mayoría de los procesadores y las fuentes de alimentación funcionan con la mayor eficiencia posible, y los sistemas de refrigeración son una costosa mitigación. Así que simplifica y reduce los costes mejorando la disipación de energía a nivel de componentes. El problema es que la mayoría de las soluciones de potencia empaquetadas y compactas disipan demasiada potencia o tienen una resistencia térmica demasiado alta: no hay forma de eliminar eficazmente el calor suficiente para que funcionen a altas temperaturas sin un derrateo significativo.

Las cifras de densidad de potencia no son tan impresionantes como parecen

El término regulador DC/DC de alta densidad de potencia es engañoso porque no tiene en cuenta el comportamiento de la temperatura del aparato. Los diseñadores de sistemas a menudo buscan satisfacer un vatio/cm² los fabricantes de fuentes de alimentación están encantados de cumplir este requisito con impresionantes cifras de densidad de potencia. Sin embargo, la hoja de datos de un aparato oculta valores relacionados con la temperatura que pueden ser más importantes que la densidad de potencia declarada.

Tomemos como ejemplo un regulador CC/CC de 2 cm × 1 cm que suministra 54 W a una carga. Esto da una impresionante densidad de potencia de 27W/cm². Este número debe ser cumplir con los requisitos de potencia y tamaño de algunos diseñadores. Pero lo que a menudo se pasa por alto es la disipación de energía, que se traduce en un aumento de la temperatura de la placa. La información clave se da en la hoja de datos como la impedancia térmica del regulador CC/CC, incluyendo los valores de las impedancias térmicas de la unión a la carcasa, la unión al aire y la unión a la placa.

Siguiendo con el ejemplo, este regulador tiene otro atributo atractivo: funciona con un impresionante 90% de eficiencia. Incluso con una eficiencia tan alta, disipa 6W mientras entrega 54W a la salida en una carcasa con una impedancia térmica del aire de unión de 20ºC/W. Multiplica 6W por 20ºC/W y el resultado es un aumento de 120ºC sobre la temperatura ambiente. A una temperatura ambiente de 45ºC, la temperatura de unión del paquete de este regulador DC/DC alcanza los 165ºC. Esto está muy por encima de la temperatura máxima típica especificada para la mayoría de los circuitos integrados de silicio, que es de unos 120ºC. El funcionamiento de esta fuente de alimentación a su máxima potencia requeriría una importante refrigeración para mantener la temperatura de la unión por debajo de 120ºC.

Incluso si un controlador CC/CC cumple todos los requisitos eléctricos y de potencia del sistema, si no cumple las directrices térmicas básicas o si resulta demasiado caro cuando se consideran las medidas de mitigación del calor, todas las impresionantes especificaciones eléctricas son discutibles. Evaluar el rendimiento térmico de un regulador CC/CC puede ser tan importante como juzgarlo en voltios, amperios y centímetros.

El LTM4620 está diseñado desde cero para producir salidas dobles o simples de alta densidad de potencia con características térmicas manejables. A diferencia de otras soluciones de alta densidad de potencia, es realmente autónomo y no requiere voluminosos disipadores de calor ni refrigeración líquida para funcionar a la máxima corriente de carga.

La figura 2 muestra una vista lateral y una foto de la vista superior de un LTM4620 sin moldear. El envase está formado por un sustrato de BT de alta conductividad térmica con capas de cobre adecuadas para la capacidad de transporte de corriente y baja resistencia térmica a la placa del sistema. Los MOSFETs de potencia internos se apilan en un marco de plomo propio para producir una alta densidad de potencia, una baja resistencia de interconexión y una alta conductividad térmica tanto en la parte superior como en la inferior y desde la parte inferior del dispositivo. Esto se remata con un disipador interno propio que se acopla directamente a las pilas de MOSFET de potencia y a los inductores de potencia para conseguir un disipador eficiente en la parte superior.

La construcción del disipador de calor y el encapsulado del molde permiten que la pieza se mantenga fría incluso cuando la gestión térmica se limita a un flujo de aire forzado sobre la parte superior del paquete. Para una solución más robusta, se puede acoplar un disipador de calor externo al metal expuesto de la parte superior para una gestión térmica aún mejor.

La figura 3 muestra una imagen térmica del LTM4620 y una curva de reducción de potencia para un diseño de 12V a 1V a 26A. El aumento de temperatura es de sólo 35°C por encima de la temperatura ambiente sin disipador de calor y con un flujo de aire de 200 LFM. La curva de reducción de potencia muestra que la carga máxima está disponible hasta ~80°C, muy por encima de los 65°C que muestra la imagen térmica para la pieza totalmente cargada.

Este resultado revela las verdaderas ventajas de una solución de regulador de potencia de alta densidad mejorada térmicamente. El exclusivo diseño del paquete permite que la pieza no sólo produzca una gran potencia en espacios reducidos, sino que lo haga sin contribuir significativamente al problema del calor ni requerir una reducción de potencia. Pocas soluciones de alta densidad de potencia, si es que hay alguna, pueden hacer esta afirmación sin añadir costosos componentes y estrategias de mitigación del calor.

La figura 4 muestra un diagrama de bloques simplificado del controlador LTM4620 μModule en un diseño de doble salida. Sus dos reguladores buck síncronos internos de alto rendimiento producen carriles de 1,2V y 1,5V, cada uno con una capacidad de corriente de carga de 13A. El rango de tensión de entrada es de 4,5V a 16V.

El rango de tensión de salida del LTM4620 es de 0,6V a 2,5V, y de 0,6V a 5,5V para el LTM4620A. La precisión total de la salida es de ±1,5%, con un reparto de corriente preciso y probado en fábrica al 100%, una respuesta transitoria rápida, un funcionamiento paralelo multifásico con autoajuste y desplazamiento de fase programables, sincronización de frecuencia y un amplificador de sensado remoto preciso. Las características de protección incluyen la protección de sobretensión de salida devuelta, la protección de sobrecorriente de retorno y la supervisión del diodo de temperatura interno.

La figura 5 muestra una solución de 1,5 V a 26 A que combina los dos canales de salida del LTM4620 en un diseño paralelo de dos fases. Los botones RUN, TRACK, COMP, V_FBpGOOD y V_OUT se enlazan entre sí para implementar el funcionamiento en paralelo. Este diseño también incluye un sensor de temperatura LTC2997 que controla el diodo de temperatura interno del LTM4620.

La figura 6 muestra la eficiencia de 1,5V para la salida en paralelo de 2 fases y el reparto de la corriente de los dos canales. La eficiencia del 86% es muy buena para una solución de alta densidad y alta relación de reducción, y los resultados térmicos son tan buenos o mejores que la solución de 1V mostrada en la figura 3. El aumento de temperatura está bien controlado gracias a la baja θ_JA resistencia térmica tras el montaje de la placa. Un eficiente disipador superior e inferior permite que el LTM4620 funcione a plena potencia con poco aumento de temperatura.

La figura 6 muestra la división de la corriente bien equilibrada de V_OUT1 y V_OUT2. El controlador interno del LTM4620 está ajustado y probado para compartir la corriente de salida.

La arquitectura en modo corriente del LTM4620 permite una alta eficiencia y una rápida respuesta transitoria, requisitos principales de las fuentes de alimentación de bajo voltaje para procesadores de alto rendimiento, FPGAs y ASICS personalizados. La excepcional precisión de la tensión de salida inicial y la detección remota diferencial permiten una regulación precisa de la tensión continua en el punto de carga.

Las capacidades térmicas exclusivas del LTM4620 y la estrecha capacidad de compartir la corriente permiten escalar fácilmente la salida más allá de los 100 A (véase la figura 7). No se necesita una fuente de reloj externa para configurar el funcionamiento multifase: los pines CLKIN y CLKOUT producen un desplazamiento de fase interno programable para los canales en paralelo. El LTM4620 admite la sincronización de frecuencia externa o el reloj interno de la placa.

La figura 7 muestra cuatro reguladores μModule combinados en paralelo para producir un diseño de 8 fases y 100 A. La figura 8 muestra el reparto equilibrado de la corriente de los cuatro reguladores. Como se muestra en la Figura 7, toda la solución 100A ocupa sólo unos 1,95 centímetros cuadrados de espacio en la placa. Incluso con esta corriente tan alta, se puede aplicar un simple disipador de calor y un flujo de aire en la parte superior de los cuatro módulos para eliminar la suficiente pérdida de potencia como para no tener que reducir la potencia. El disipador de calor superior también mantiene fría la placa del sistema para minimizar el efecto de calentamiento en otros componentes.

El regulador LTM4620 μModule es una verdadera solución de potencia de alta densidad. Se diferencia en el campo de los reguladores de alta densidad de potencia porque maneja el calor, el defecto fatal de muchas soluciones proclamadas de alta densidad. Cuenta con dos reguladores de alto rendimiento alojados en un paquete térmico superior, lo que permite que los diseños de alta potencia encajen en espacios reducidos con una refrigeración externa mínima. El reloj multifásico incorporado y la distribución precisa de la corriente, probada en fábrica, permiten escalar fácilmente la corriente de salida a 25A, 50A y 100A+. Las propiedades térmicas únicas del LTM4620 permiten un funcionamiento a plena potencia a altas temperaturas ambientales.