Die MPM3695-Familie: Hochleistungs-Modul-Lösungen

Erfüllung von Hochstrom- und Präzisionsanforderungen

Das Betreiben moderner Anwendungen erfordert hohe Ströme, präzise Transientensteuerung und eine flexible Spannungsanpassung. Insbesondere die Stromversorgungs-Spezifikationen von Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) weisen häufig strenge Anforderungen an die Ausgangsspannungsgenauigkeit (VOUT) auf, wobei die absolute VOUT-Genauigkeit bei etwa ±1,5% liegen muss, unabhängig von Temperaturänderungen und Alterung. Die Lastregelungsspezifikationen einiger Hersteller können deutlich strengere Anforderungen stellen. Die am häufigsten verwendete Methode zur Konfiguration von VOUT ist die Verwendung externer oder interner Spannungsteiler. Diese Methode bietet Flexibilität bei der VOUT-Konfiguration, während sie gleichzeitig anspruchsvolle Anforderungen erfüllt.

Die MPM3695-Familie bietet zwei mögliche Methoden zur Anpassung von V_OUT. Die erste Möglichkeit besteht darin, den internen Widerstandsteiler zu verwenden. Die zweite Möglichkeit besteht darin, V_OUT über den externen Widerstandsteiler zu ändern.

Abbildung 1/Figure 1 zeigt den typischen Anwendungsschaltkreis mit einem internen Widerstandsteiler.

Abbildung 2/Figure 2 zeigt den typischen Anwendungsschaltkreis mit einem externen Widerstandsteiler.

Je nach Design kann es vorteilhaft sein, beide Methoden für platzbeschränkte Anwendungen mit Anpassungsanforderungen zu nutzen. Externe Widerstandsteiler können auch das thermische Management verbessern, da die Leistungsabgabe über die Leiterplatte (PCB) verteilt werden kann. Ein wesentlicher Nachteil von externen Widerständen ist jedoch, dass ihre Toleranz die V_OUT-Genauigkeit beeinträchtigen kann. Darüber hinaus haben Widerstandsteiler einen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass sich ihr Widerstand mit Temperaturänderungen verändern kann. Diese Variation kann zu leichten Abweichungen in der Feedback-Spannung (V_FB) und somit in V_OUT führen.

Die MPM3695-Familie unterstützt das PMBus-Protokoll für die V_OUT-Konfigurationen.

Tabelle 2/Table 2 zeigt die Befehle, die verwendet werden können, um V_OUT zu ändern.

Die Margin-Spannungsbefehle überprüfen die Robustheit der Anwendung und stellen sicher, dass das Gerät die Spezifikationen der Anwendung erfüllt und kleine Änderungen der Stromversorgungs-Spannung im Laufe der Zeit sowie durch Temperaturänderungen tolerieren kann.

Sobald der ausgewählte Spannungswert festgelegt wurde, wird er mit den V_OUT-Limits, die durch die VOUT_MAX- und VOUT_MIN-Befehle festgelegt sind, verglichen. Dies stellt sicher, dass V_OUT innerhalb sicherer oberer und unterer Schwellenwerte bleibt. Schließlich wird ein Skalierungsfaktor angewendet, um eine Referenzspannung anzupassen.

Abbildung 3/Figure 3: Der V_OUT-Befehl-Prozess für das MPM3695-10 beinhaltet die Verwendung des OPERATION-Befehls, um eine der drei Eingänge als Quelle für die Nennspannung auszuwählen (VOUT_COMMAND, VOUT_MARGIN_HIGH oder VOUT_MARGIN_LOW).

Interner Spannungsteiler

V_OUT wird über die Pins VOSNS+ und VOSNS- erfasst. Der interne Widerstandsteiler reduziert V_OUT, um die Referenzspannung (V_REF) abzugleichen.

Abbildung 4/Figure 4 zeigt, wie der interne Spannungsteiler konfiguriert wird.

Tabelle 3/Table 3 zeigt den V_OUT-Bereich, der mit der internen Spannungsteiler-Option über VOUT_SCALE_LOOP (29h) und MFR_CTRL_VOUT (D1h) eingestellt werden kann. Beim Einsatz des internen Spannungsteilers ist es wichtig, die externen Feedback-Widerstände (FB) vollständig zu trennen und den passenden Spannungsbereich je nach Anwendung auszuwählen.

Ein höherer FB-Gewinn führt in der Regel zu schnelleren Reaktionszeiten auf Lasttransienten. Zu hohe Gewinne können jedoch Instabilität oder Überschwinger verursachen. Ein niedriger FB-Gewinn kann zu langsameren Ansprechzeiten und reduziertem Überschwingen führen.

Externer Spannungsteiler

Bei Verwendung eines externen Spannungsteilers wird die V_OUT des Geräts mithilfe von zwei Widerständen (R1 und R2) skaliert, die in Serie geschaltet sind, um eine Spannungsteiler-Konfiguration zu bilden. V_FB wird über die VOSNS+- und VOSNS- Pins erfasst.

Abbildung 5/Figure 5 zeigt eine Konfiguration mit einem externen Spannungsteiler.

Die Werte der FB-Widerstände (R2 und R1) können mit der Gleichung 1/Equation 1 berechnet werden.

Wobei V_REF die Referenzspannung ist, die einen Standardwert von 0,6V hat (und zwischen 0,5V und 0,672V angepasst werden kann); und V_OUT die Ziel-Ausgangsspannung ist.

Es wird empfohlen, 1%-Toleranz-Widerstände mit niedrigem Temperaturkoeffizienten für den FB-Spannungsteiler zu verwenden. Der V_OUT FB-Gewinn kann mit der Gleichung 2/Equation 2 geschätzt werden.

Für ein gegebenes FB-Widerstandsnetzwerk können die oberen (V_{OUT_MAX}) und unteren Grenzwerte (V_{OUT_MIN}) von V_OUT mit den folgenden Gleichungen 3 & 4/Equation 3 & 4 berechnet werden.

Um die Lasttransientenreaktion zu optimieren, muss ein Feed-Forward-Kondensator (C_FF) parallel zu R1 geschaltet werden (siehe Abbildung 5).

Tabelle 4/Table 4 zeigt den V_OUT-Bereich bei Verwendung des externen Spannungsteilers über VOUT_SCALE_LOOP (29h) und MFR_CTRL_VOUT (D1h).

Tabelle 5/ Table 5: Werte der FB-Widerstände und des Feed-Forward-Kondensators für gängige Ausgangsspannungen.

Externer Spannungsteiler

Im folgenden Abschnitt wird ein praktisches Beispiel gegeben, wie V_OUT durch den externen Widerstandsspannungsteiler mit dem MPM3695-25 gesetzt wird.

Tabelle 6/Table 6 zeigt alle Parameter, die für dieses Beispiel berücksichtigt werden.

Gegeben: R₁ = 2kΩ and V_REF = 0.6V. Berechnung von R₂ (Widerstand 2) mit Gleichung 5/Equation 5.

Berechnung der Verstärkung des Spannungsteilers (G_FB) mit Gleichung 6/Equation 6.

Berechnung von V_{OUT_MAX} and V_{OUT_MIN} mit den Gleichungen 7 & 8/Equation 7 & 8.

Bei der Verwendung des oben beschriebenen Spannungsteilers führt die Nichteinhaltung dieser Grenzwerte zu einer verringerten V_OUT-Genauigkeit.

Tabelle 7/Table 7 zeigt die Konfigurationswerte für den nominalen V_OUT-Befehl (VOUT_COMMAND) und die Verstärkung des externen Spannungsteilers (VOUT_SCALE_LOOP), die in diesem Beispiel verwendet werden. Sie enthält auch die Grenzwertbefehle für den V_OUT-Randbereich (VOUT_MARGIN_HIGH und VOUT_MARGIN_LOW) sowie die Schutzbefehle für die V_OUT-Grenzwerte (VOUT_MAX und VOUT_MIN).

Die tatsächliche Ausgangsspannung (V_{OUT_REAL}) kann mit der Gleichung 9/Equation 9 berechnet werden.

V_{OUT_REAL} = VOUT_COMMAND: Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann sie mit der Gleichung 10/Equaiton 10 geschätzt werden.

In unserem aktuellen Beispiel entspricht VOUT_SCALE_LOOP der tatsächlichen Verstärkung des Spannungsteilers, sodass V_{OUT_REAL} dem über VOUT_COMMAND (21h) konfigurierten Wert entspricht. Für dieses Beispiel wurde die Evaluierungsplatine des MPM3695-25 (EVM3695-25-RF-02A) in einer einphasigen Konfiguration verwendet.

Abbildung 6/Figure 6 zeigt den aufgebauten Schaltkreis.

Die Virtual Bench Pro 4.0 GUI von MPS bietet eine Schnittstelle zur Konfiguration der MPM3695-Familie.

Abbildung 7/Figure 7 zeigt die wichtigsten PMBus V_OUT-Befehle, die in diesem Beispiel verwendet wurden.

Der Tab "Parameter" ist in zwei Abschnitte unterteilt. Die grundlegenden Parameter befinden sich oben, während weitergehende Konfigurationen unten zu finden sind. Kasten 1 in Abbildung 7 zeigt die Konfigurationen für VOUT_COMMAND (21h), VOUT_SCALE_LOOP (29h) und MFR_CTRL_VOUT (D1h). Kasten 2 in Abbildung 7 zeigt die folgenden V_OUT-Befehle: VOUT_MAX (24h), VOUT_MIN (2Bh), VOUT_MARGIN_LOW (26h) und VOUT_MARGIN_HIGH (25h). Der Konfigurationswert (im hexadezimalen Format) für jedes dieser Register ist im Tab "Register Map" in Kasten 3 zu finden (siehe Abbildung 7).

Die MPM3695-Familie der Leistungsmodule verfügt über Telemetriebefehle wie READ_VIN (88h), READ_VOUT (8Bh), READ_IOUT (8Ch) und READ_TEMPERATURE (8Dh). Diese Befehle überwachen in Echtzeit die Eingangsleistung (V_IN), die Ausgangsspannung (V_OUT), den Laststrom (I_OUT) und die Temperatur. Die Werte werden im Abschnitt "Überwachung" in Kasten 4 (siehe Abbildung 7) visualisiert.

VOUT_COMMAND (21h) legt die Nennspannung fest.

Abbildung 8/Figure 8 zeigt, ob die in Echtzeit überwachten Werte (im gelben Kasten angezeigt) mit den Zielwerten der Anwendung übereinstimmen.

Um VOUT_MARGIN_HIGH (25h) als Nenn-V_OUT-Quelle festzulegen und das Gerät mit einem hohen Abstand einzuschalten, setzen Sie OPERATION (01h), bits[5:4] = 10b. Laut Tabelle 6 wird der Zielwert für den hohen Abstand auf 2V gesetzt.

Abbildung 8 zeigt, ob V_OUT, wie in Echtzeit überwacht (im grünen Kasten angezeigt), mit dem Wert übereinstimmt, der über VOUT_MARGIN_HIGH (25h) konfiguriert wurde.

Abbildung 9/Figure 9 zeigt, ob das Ergebnis des VOUT_MARGIN_LOW (26h) mit den konfigurierten Werten übereinstimmt, die in diesem Beispiel verwendet wurden.

Interner Spannungsteiler

Berücksichtigen Sie die Parameter in Tabelle 6. Dieser Abschnitt beschreibt, wie V_OUT unter Verwendung des internen Spannungsteilers konfiguriert wird.

Stellen Sie sicher, dass die VOSNS+ und VOSNS- Pins direkt mit den V_OUT-Sensorkontakten verbunden sind (siehe Abbildung 4). In diesem Szenario ist R3 auf 0Ω eingestellt, und R4 wurde in Abbildung 6 entfernt.

Aus Sicherheitsgründen wird dringend empfohlen, das Bauteil über den EN-Pin zu deaktivieren, wenn zwischen internem und externem Spannungsteiler gewechselt wird; andernfalls könnte das Gerät beschädigt werden. Der V_OUT-Bereich wurde über MFR_CTRL_VOUT (D1h), bits[1:0] (wenn auf 10b gesetzt), festgelegt, und VOUT_SCALE_LOOP (29h) wurde auf 0x00FA gesetzt (siehe Tabelle 3). Tabelle 8 zeigt die PMBus-Befehlssequenz, um V_OUT auf 1,8V unter Verwendung des internen Widerstandsteilers zu setzen.

Tabelle 8/Table 8 zeigt die PMBus-Befehlssequenz, um V_OUT auf 1,8V unter Verwendung des internen Widerstandsteilers zu setzen.

Die Anpassung von V_OUT während des Betriebs über die PMBus-Schnittstelle ist besonders nützlich, wenn die I/O-Spannung geändert wird, wie z. B. beim Neukonfigurieren der Funktionalität neuer FPGAs wie der Achronix Speedster7t-Lösung. Darüber hinaus kann diese Funktion auch verwendet werden, um die Kernspannung des FPGAs während des Betriebs anzupassen, um den Stromverbrauch zu minimieren.

Abbildung 10/Figure 10 zeigt die GUI bei der Konfiguration von V_OUT mit dem internen Spannungsteiler, wobei das grüne Feld die befohlenen Werte für VOUT_COMMAND (21h) und MFR_CTRL_VOUT (D1h), bits[1:0] anzeigt. Die V_OUT-Strommessung, der Laststrom und die Temperatur des Geräts können im Abschnitt „Monitoring“ (angezeigt im gelben Feld) überwacht werden (siehe Abbildung 10).