絶縁型DC-DCコンバータ BTシリーズ

CONFIDENTIAL
高速インターフェースでトラぶらない
電源選択のポイントとは？
小林 宏和
Engineering Group, PLD Biz. Div.
PALTEK Corporation
Proprietary to PALTEK CORPORATION
1
Agenda
! 最新電源に対する要求と課題
! 要求にMeetする電源の提案
! 各種FPGAを意識した実際の電源構成の回路例
! まとめ
CONFIDENTIAL
2
低電圧化と推奨動作電圧の許容範囲の変化
! 低電圧化の進展と共に許容範囲はよりシビアに
Recommended Core Voltage
– 最新のASIC/DSP/FPGAでは？
5.0V
500mv
１００ｍVしか余裕の無い
メーカも あります
3.3V
600mv
2.5V
180mv
400mv
150mv
1.8V
1.5V
1.2V
1.0V
150mv
1２0mv
100mv
0
0.5 µ
0.35 µ
0.25 µ
0.18 µ
CONFIDENTIAL
0.15 µ
0.13 µ
0.09 µ
0.65 µ
3
より速く、より小さく の功罪
! ディップによる誤動作：SSO（同時スイッチング）による負荷変動の発生
– SSOが発生しやすいアプリケーション
• メモリーインターフェース(SDR, DDR, DDR2, RLD, etc.)
• CPUバス (32bit, 64bit, etc.)
• PCIバス (32bit, 64bit, PCI-X, PCIe, etc.)
– 某メーカの測定結果によると条件次第では500mV近い揺れも観測
【電圧許容範囲外へのディップによる誤動作】
ディップによる障害
ICの電圧許容範囲
デバイスの推奨
デバイスの推奨
動作範囲をオー
動作範囲をオー
バーし、誤動作
バーし、誤動作
を引き起こす
を引き起こす
SSO（同時スイッチングノイズ）による負荷変動
–
複数のバスが同時にLow→High、High→Lowのス
イッチングを行うことにより、負荷電流が急変し、電
源・グランドが揺れる現象。
1.2V
Pk-Pk = 100mV
【ビットの反転による誤動作】
理想的な動作状況
ディップによる障害
本来“H”レベル
本来“H”レベル
のデータが、“L”
のデータが、“L”
と認識されてし
と認識されてし
まう
まう
VCC
Unus
ed
PinsP
G
P
G
S
S
O
s
Vcc
or
GND
Vcc
Data1
Data2
Data3
Data4
GND
S
S
O
s
DATA
“L”
CONFIDENTIAL
4
Agenda
! 最新電源に対する要求と課題
! 要求にMeetする電源の提案
! 各種FPGAを意識した実際の電源構成の回路例
! まとめ
CONFIDENTIAL
5
BSVシリーズは業界最速の応答特性
Current Step Load = 0A-6.5A, over 100A/us
Bellnix
他社製
ディップ：約1/3
電圧ディップ = 60mV
応答時間 = 160ns
応答時間：約1/50
LSI周辺のパスコン削減にも効果大！ CONFIDENTIAL
電圧ディップ = 160mV
応答時間 = 8000ns
6
BSVシリーズは業界最速の応答特性
一般的なPWM制御の応答
BellnixのPWM制御の応答
100％
Outout
Currents
100％
Outout
Currents
0％
Vout
Vunder
Vout
0％
Vspike
Vunder
Vspike
PWM
PWM
Response
Response
←High Speed Response
↑Slowly Speed Response
CONFIDENTIAL
7
BSVシリーズなら機器自体の小型・薄型化が可能
他社製品
15mm
24mm
Bellnix
製品自体が小型、薄型な為、IC傍
に配置が可能になり、配線のイ
ンダクタンスも減少
→ 不要な電位変動要因を削除
高速応答な為、小型・少量のコンデンサで構成可能
→実装面積の削減
→コスト削減
→結果的に電源投入時のディップも回避
CONFIDENTIAL
8
BSVシリーズの効率向上策
! シリーズで最大96%の超高効率
Bellnix BSV-3.3S6R0
A社
スイッチング動作モードを動的に変更する事により、
軽負荷時にも高効率を維持
CONFIDENTIAL
9
FPGAメーカー推奨の電源ソリューション
（日本）
Xilinx以外の他社
FPGAメーカーでも両
電源を認定済｡Web
サイトなどでも紹介中
（米国）
CONFIDENTIAL
10
非絶縁型DCDC製品ラインナップ
BST
30A
BSTファミリ
●低価格
●シーケンス機能
●世界標準サイズ
●RoHS対応
電流(大)
NEW
NEW
BST
16A
BPMシリーズ
BSV-H Power
22A
NEW
NEW
BSV-H
12A
BST
10A
FPGA
Vendor
推奨電源
NEW
NEW
BSV-m8
8A
BSVファミリ
●高性能
●高速応答性能
●最先端IC向け
●超小型
●低ノイズ
●高効率
●RoHS対応
高速応答
汎用
シーケンス
コントロール
機能搭載
BSV-m6
6A
BST
6A
BST
3A
ピンマイグ
レーション
NEW
NEW
電流(小)
CONFIDENTIAL
BSV-m3
3A
11
非絶縁型DCDC：BST 16A品
10.29 (0.405")
入力
出力
定格電圧（V) 電圧範囲（V) 定格電圧（V) 可変範囲（V)
4.0
2.8 - 5.5
0.75
0.75 - 3.3
12.0
10.0 - 14.0
0.75
0.75 - 5.0
13.5 (0.53")
形名
Model
BST04-0.7S16PCM
BST12-0.7S16PCM
効率（％）
(Vo=3.3V,16A)
95.0
93.0
電流（A)
16
16
33.0 (1.30")
ﾊﾟｯｹｰｼﾞ
Package
SMD
SMD
9.7(0.38")
2.80 (0.110")
2.00 (0.079")
Vout Trim
Seq Gnd
Sense
Vin
ON/OFF
1.2 (0.05")
7.54 (0.297")
12.37 (0.487")
17.20 (0.677")
22.03 (0.867")
26.86 (1.057")
29.90 (1.177")
CONFIDENTIAL
Pin
１
２
３
４
５
６
７
名称
On/Off
Vin
SEQ
GND
Vout
Trim
Sense
機 能
ﾘﾓｰﾄ On/Off ｺﾝﾄﾛｰﾙ
＋入力端子
Tricking 機能端子
入出力 GND 端子
＋出力端子
出力電圧可変端子
Vo センシング端子
12
非絶縁型DCDC：BPMシリーズ
!
!
!
!
NEW
NEW
5pin SIP, 7pin SMD
8~40Watt
高効率~94%
RoHS指令対応
! 過電流保護回路内蔵
! ヒートシンク不要！
! 簡単設計, 対三端子レギュレータ
RoHS OK
CONFIDENTIAL
13
絶縁型DCDC：BTシリーズ
競合D社
BTA
1.5Watt
BTB 3Watt BTC 6Watt
NEW
競合D社
Bellnix
競合C社
BTA
BTF
25Watt
競合C社
BTD 10Watt
!
!
!
!
!
!
BTE 15Watt
広い入出力電圧範囲（5V, 12V, 24V, 48V）
多数の力電圧（3.3V, 5V, 12V, 15V, ±12V, ±15V）
低ノイズ、低リップル( 実力20mVpp )
完璧な交流絶縁 ( トランスの結合容量12pFmax )
国内生産、5面金属(鉄)シールド
動作温度： -40℃ ~ +85℃で高効率：70％～89％
CONFIDENTIAL
競合より小さい
パッケージです
が、ピン位置は
完全互換です！
14
絶縁型DCDC：BTシリーズ
測定条件： Vin=24V，Vout=5V，Iout＝1.2A，周囲温度＝30℃
Bellnix BTD24-05SF
他社製品
■最高温度：76.1℃（ΔＴ＝46.1℃）
■最高温度：89.2℃（ΔＴ＝59.2℃）
13.1℃の温度差があります。
期待寿命としては、温度が13.1℃高いと約44%短くなります。
CONFIDENTIAL
15
絶縁型DCDC：ブリックタイプ Converters
!
!
!
!
!
Output: 1.2, 1.5, 1.8V, 2, 2.5, 3.3, 5, 12,15V （30W-84W）
Input：24V・48V 〔18V～36V、 36V～75V〕
1/8 ブリックコンバータ
Efficiencies: 92%
Dimensions:58.42×20.57mm
58.42mm
20.57mm
BEシリーズ
1/16ブリック型、30-66W出力可能な さらに
サイズ半分の BV48SRシリーズもあります
CONFIDENTIAL
16
ACDCコンバータ：40~2200Watt flexPower Series
AC-DC多出力セミカスタム電源
! 産業用, 医療用対応
! 短納期
! SEMI F47, EN60950-1, UL60950-1,
CSA22.2, NO60950-1-03, EN606011, EN61010-1
! 直列, 並列運転対応
! 最大出力電圧150VDCまで可能
! -20℃にて動作
! 条件により、定格以上の出力可能
! 動作温度範囲 -20 ℃ ～ +70 ℃
– ディレーティング要
! 効率 83.5% typ. (115Vac)
!
!
!
!
過電圧保護機能
過電流保護機能
過熱保護機能
RoHS指令対応
CONFIDENTIAL
17
広範なソリューション：ナショナルセミコンダクター社
! アナログIC中心のファブ「持ち」カンパニー
Power
– 特に電源分野ではNo1の実績
!
!
!
!
!
1959年 米国/コネチカット州にて創立
売上 $1.98 B（¥2000億強） @2006
2400件以上の特許を所有
従業員数9,000人＠WW
製品数2000品種以上
ADC・DAC・センサ
アンプ
インターフェイス
! WEBENCH オンラインツール
–
–
条件入力により、周辺部品も含めた最適なNS製品を選択が可能
カスタム回路もシミュレーション可能
CONFIDENTIAL
18
Agenda
! 最新電源に対する要求と課題
! 要求にMeetする電源の提案
! 各種FPGAを意識した実際の電源構成の回路例
! まとめ
CONFIDENTIAL
19
スタンダード
12A
AC100V
3-6A
!
!
!
!
!
機器内BUS電源が24Vの場合の高性能電源
BSVシリーズを利用した構成です
DDR/PCIe始め、高速な電源負荷応答が求めら
れる用途に最適です
VCCINTは最大12Aまで供給が可能です
消費電流が150mA程度のVCCAUXには
2.92mm*1.60mmの極小パッケージSOT23の
LP2992で対応します
価格を抑えたBSTシリーズの構成も可能です
–
250mA
最大16A出力まで対応します
CONFIDENTIAL
20
機器内BUSが5Vの場合
12A
AC100V
3-6A
!
!
!
!
!
機器内BUS電源が5Vの場合の高性能電源
BSVシリーズを利用した構成です
DDR/PCIe始め、高速な電源負荷応答が求めら
れる用途に最適です
VCCINTは最大12Aまで供給が可能です
消費電流が150mA程度のVCCAUXには
2.92mm*1.60mmの極小パッケージSOT23の
LP2992で対応します
価格を抑えたBSTシリーズの構成も可能です
–
250mA
最大16A出力まで対応します
CONFIDENTIAL
21
精密アナログの場合
250mA
AC100V
250mA
!
機器内BUS電源が24V入力からでも5V出力が可能なBPMシリーズを利用した構成です
–
–
!
!
入力は最低8Vまで下げる事も可能です
最大幅で36V入力から1.2V出力を実現します
DCDCコンバータのノイズを嫌うアプリケーションをフィルタを構成せずに実現できるので基板面積の縮小
に効果があります
LDOには2.92mm*1.60mmの極小パッケージSOT23のLP2992を利用していますが、よりノイズの低い
ファミリを利用することも可能です
CONFIDENTIAL
22
小容量の場合
３A
AC100V
!
機器内BUS電源が24Vからでも5V出力が可能な
BPMシリーズを利用した構成です
–
–
!
入力は最低8Vまで下げる事も可能です
最大幅で36V入力から1.2V出力を実現します
高いBUS電圧状態のままで1段で1.2Vまで降圧
可能な為、電源構成を大幅に簡素化できます
–
!
３A
250mA
BPMシリーズの16.27mm*17.78mmサイズの極小
パッケージで実現します
消費電流が150mA程度のVCCAUXには
2.92mm*1.60mmの極小パッケージSOT23の
LP2992で対応します
CONFIDENTIAL
３A
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まとめ
! 参考になる資料
– 「オンボード電源の設計と活用」 鈴木正太郎 CQ出版社
– Bellnix社 FPGA向けソリューション
• http://www.bellnix.co.jp/fpga/fpga.html
– ナショナルセミコンダクター社 WEBENCH設計Tool
• http://www.national.com/JPN/appinfo/webench/scripts/my_webench.cgi
– PALTEK社 電源ソリューション（含むCAD図類）
• http://www.paltek.co.jp/bellnix/data/index.htm
• http://www.paltek.co.jp/bellnix/technical_info/index.htm
! まとめ
– 確実に動作し、短期間で高性能な電子機器を開発するには電源へのケアが重要
– 高速インターフェースに適した電源は高速応答が必須
– 高速応答が得られると、外付けコンデンサの小型化や給電先までの距離短縮による
安定給電も同時に実現される
– 適切な電源アーキテクチャは市場への早期＆安定した投入を実現し低リスク・低コスト
CONFIDENTIAL
24
付録：配線インダクタンスの問題も存在します
! 計算上の電圧ディップ
– パターン長1cmあたり約10nHのインダクタンス
– 20cmの配線長で、3Aの変動が1uSecで発生した場合の電圧ディップは、
• ΔV = 消費電流の変動量 / 変動時間 * インダクタンス
= 3A / 1uSec * 200nH = 600mV
実際には、電源側のパスコンによりディップは緩和されるが、瞬間的な
大振幅の電流変動を抑えるには、大容量かつ高周波領域で超低ESR
が要求される。パスコンでの解決は困難になりつつある。
! 対策
– 負荷端に電源を配置する
• POL
– 応答速度のより速い電源
• BSV
–
di
1
ΔV = ΔRi + ΔL +
idt
∫
dt ΔC
インダクタンスが低くなるようにする
•
基板の構成の工夫
CONFIDENTIAL
25
付録：電源ノイズの低減方法
! 高周波特性の良好な低インピーダンス品コンデンサを使用
! 各コンデンサのリードをできるだけ短くし、リードインダクタンスを最小にする
! 入力端子側､出力端子側共に プラス､マイナス間の配線ループをできるだけ
小さくする。
– 配線によるインダクタンスの影響を低減
! 主回路のプリントパターンは出来るだけ太く短く設計
ループ面積を小さくする
リードを短くする
11
Vin
+
C1
22
4
BBellnix
el l ni x
+Vout
Stratix II
Vccint
+Sense
3
BSV-3.3S12R0H
B SV
-3.3S12R 0H
7
B BSV-H
SV -H
39On/Off
5.8
6
-Sense
GND
Trim
リードを短くする
C2
C3
R1
ループ面積を小さくする
CONFIDENTIAL
26