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El suministro de alimentación en procesadores, FPGA y ASIC con un elevado nivel de complejidad

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Los procesadores son dispositivos cada vez más integrados, algo que no es sorprendente: cuando logramos meter más funciones en un solo encapsulado, optimizamos el espacio de las placas de circuito impreso, reducimos los costes del material y simplificamos los problemas de alimentación. Esto son buenas noticias para muchas aplicaciones, desde la inferencia hasta la periferia, así como para la aceleración de búsquedas de gran esfuerzo de computación y los cobots de automatización industrial.

Sin embargo, la sofisticación de los procesadores, como las FPGA y los MPU más potentes, también nos obliga a disponer de más vías de alimentación. Por otro lado, cada vez es más común que los núcleos de los procesadores y las funciones periféricas empleen tensiones de alimentación más bajas. Los procesadores con mayores prestaciones son también muy sensibles a las tensiones transitorias y la ondulación, lo que significa que debemos ser muy cuidadosos con la arquitectura de alimentación y el trazado de las líneas de esta en una placa de circuito impreso.
En este artículo, hablaremos de una solución viable: los compactos módulos conversores CC/CC de una sola salida, baja potencia y alta densidad.

Tendencias en el mundo de los procesadores
¬A medida que las dimensiones de los procesadores se van reduciendo, hay una tendencia hacia el aumento de la integración funcional dentro de los procesadores y los dispositivos de lógica programable. Los CI de sistema en chip (SoC, por sus siglas en inglés) y de sistema en cápsula (SiP) están ganando popularidad como método para superar las limitaciones de espacio en aplicaciones sofisticadas y complejas.
Los microcontroladores, los microprocesadores y las matrices de puertas programables en campo, se meten en una cápsula junto con las radios LAN inalámbricas, los transceptores de red de alta velocidad y los motores de aceleración de cifrado.
Al comprimir más funciones en un solo troquel del CI, obtenemos muchas ventajas. Sin embargo, la demanda del mercado del consumo de baja potencia, la posibilidad de desactivar las funciones discretas y la necesidad de mantener la capacidad de respuesta de las aplicaciones, suponen una carga importante a la hora de diseñar el suministro de alimentación.

Los problemas del suministro de la alimentación
¬Los CI personalizados y específicos para aplicaciones, las FPGA y los procesadores con un gran nivel de complejidad, necesitan múltiples líneas de alimentación con niveles de tensión distintos, corrientes muy dinámicas y un cumplimiento estricto de la normativa y de las tolerancias a la tensión transitoria. En estos dispositivos ultraintegrados, también es necesario que las líneas de alimentación sigan una secuencia predeterminada en el arranque, a fin de evitar que la aplicación funcione de forma anómala o que se produzcan averías internas.
Los conversores CC/CC son un método popular para suministrar alimentación a dispositivos con una gran demanda, y pueden formar parte de una arquitectura de punto de carga o bus distribuido.
Para los diseñadores de sistemas de alimentación, algunos de los límites de la arquitectura son el espacio de la placa, la gestión térmica, el orden de las líneas de alimentación y el trazado de esta.
El espacio en la placa: las aplicaciones actuales tienen considerables limitaciones de espacio, lo que nos obliga a optimizar las dimensiones de la placa de circuito impreso. Al seleccionar un conversor CC/CC, lo mejor es optar por la opción más pequeña, pero hay otras limitaciones interrelacionadas, como veremos a continuación.
La gestión térmica: la eficiencia y la densidad de potencia de un conversor son características esenciales que debemos consultar en la hoja de datos. Lo normal es que la eficacia de la conversión sea superior al 94 %, pero incluso este valor puede generar un calor residual que debemos disipar en función de la cantidad de corriente de salida que obtengamos. Así que, al escoger el conversor, debemos considerar si necesitaremos algún tipo especial de disipador, montaje o almohadilla térmica.
Gestión de transitorias y trazado de la alimentación: al disponer las líneas de alimentación en una placa de circuito impreso, podríamos dejarlas expuestas a la IEM de otros dispositivos y señales. Además, cuando hay picos de corriente, las pistas muy largas pueden generar tensiones transitorias en las placas grandes. Una manera de reducir el impacto de estas es colocar el CC/CC junto al pin de entrada de alimentación del dispositivo que se va a alimentar, siempre y cuando esto no sea un problema para las limitaciones térmicas del conversor y tengamos espacio suficiente en la placa.
La secuencia de las líneas de alimentación: para lograr esto, el procesador principal necesita acceder a un pin «Power Enable» en el conversor CC/CC. El conversor también debería tener una salida de alimentación correcta para confirmar que el funcionamiento sea el adecuado.

Los convertidores CC/CC reductores TI TPSM82xx
¬La serie TI TPSM82 cuenta ahora con la gama TPSM8282xA y TPSMS8286xA.

TPSM8282xA
Los TPSM82821A, 822A y 823A son módulos de convertidor reductor pequeños y de perfil bajo con un inductor integrado y una única salida de 1, 2 o 3 A. Como alternativa, también disponemos de las versiones TPSM82821, 822 y 823, modelos con ahorro de energía y compatibles en pines. La imagen 1 muestra el diagrama funcional de la gama TPSM8282xA.
Imagen 1: diagrama funcional de la gama de conversores reductores TPSM8282xA (fuente: TI)

El conversor utiliza una topología DCS-Control que suministra una tensión de salida precisa y una rápida respuesta a transitorias en línea y carga, además de un cambio fluido entre los modos PWM y ahorro de energía. La opción de la PWM forzada hace que el conversor funcione en modo de conducción continua en todo el rango de cargas, lo que minimiza la ondulación en la salida. Algunas de las características del TPSM8282xA son el pin de habilitación (enable), la salida de alimentación correcta, un arranque suave integrado y la protección contra cortocircuitos.
Con un divisor de potencial, el rango variable de tensiones de salida va desde 0,6 VCC hasta la Vin, y algunas de las opciones de tensión de salida fija son 1,2, 1,8, 2,5 o 3,3 VCC. La imagen 2 muestra la implementación del conversor con la salida fijada a 1,8 VCC (2 A).
La corriente inactiva baja hasta 4 µA y el rendimiento de conversión típico es del 95 %.

Imagen 2: esquema típico de aplicación para el módulo conversor CC/CC TPSM828222, con la salida fijada a 1,8 VCC (2 A) (fuente: TI).


La gama TPSM8282x se vende en un pequeño encapsulado microSiP de 10 pines (2 x 2,5 x 1,1 mm) y perfil bajo, una opción idónea para suministrar alimentación cerca del pin Vin de un procesador.
Para simplificar el diseño de prototipos con el TPSM8282x, la placa de evaluación TPSM8282xEVM-080 (imagen 3) es una plataforma útil.

Imagen 3: placa de evaluación TPSM8282xEVM-80 (fuente: TI)


TPSM8286xA
La gama de conversores reductores TPSM8286xA tiene características similares a los TPSM8282xA, y está compuesta por un módulo de 4 A (TPSM82864A) y otro de 6 A (TPSM82866A). Estos convertidores alcanzan una eficiencia energética del 96 %, incluyen un inductor integrado y pueden funcionar con un rango de entrada de 2,4-5,5 VCC. Están disponibles en 13 versiones distintas de tensión de salida fija, con todas las tensiones nominales más comunes, o con una tensión de salida configurable que va desde 0,6 V hasta la Vin.
Los conversores TPSM8286x se encuentran en un encapsulado QFN sobremoldeado y ultrabajo de 3,5 x 4 x 1,4 mm (versión -826xA) o 3,5 x 4 x 1,8 mm (versión -828xAH). La gran eficiencia del módulo, junto con la almohadilla térmica de la parte inferior de su encapsulado QFN, contribuyen a que este conversor gestione de forma excelente la temperatura, a pesar de su diseño compacto.
El diseño de 32 mm2 (imagen 4) es una realidad con la gama TPSM8286xA, lo que ahorra un espacio valiosísimo en la placa de circuito impreso y nos permite colocarlo cerca de la Vin del procesador, además de alcanzar una elevada eficiencia operativa y un buen rendimiento térmico. Puede encontrar más información sobre los procedimientos recomendados para la distribución del dispositivo y el diseño de la placa en la hoja de características (el enlace de Mouser es necesario tras catalogar el producto).

Imagen 4: sugerencia de distribución en un ejemplo de aplicación del TPSM8286xA que apenas ocupa 32 mm2 en la placa (fuente: TI)


También hay una placa de evaluación disponible para la gama TPSM8286xA, la TPSM8286xA EVM.
Tras la reciente notificación de final de vida de Intel® Enpirion®, en la que indicaron que, a partir de marzo de 2022, ya no aceptarían más pedidos de ningún dispositivo Enpirion, los conversores reductores y de punto de carga TI TPSM8282x y TPSM8286xA son el recambio perfecto. (¿página de inicio de Mouser?)
Conversión CC/CC de gran eficacia y optimización térmica en el punto de carga
Los procesadores, las FPGA y los ASIC actuales tienen un gran nivel de integración. Para que funcionen de manera fiable, debemos diseñar cuidadosamente la estrategia de alimentación. El uso de conversores CC/CC compactos, de perfil bajo y gran eficiencia, como los TPSM8282x, TPSM8282xA y TPSM8286xA es la solución óptima.

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

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