SGM260320 от SGMicro – высокоэффективная микросхема управления питанием для SSD-накопителей

Современные тенденции к миниатюризации электронной продукции предъявляют все более жесткие требования к габаритам используемой элементной базы. Особенно это коснулось силовой электроники и систем питания, традиционно занимающих на печатной плате достаточно много места. Зачастую для уменьшения габаритов данных узлов разработчики используют повышение их рабочей частоты, что позволяет применять более компактные пассивные компоненты: дроссели и конденсаторы. Однако такой подход может привести к росту потерь в управляющей схеме, что для сохранения эффективности на прежнем уровне обычно требует увеличения ее физических размеров. Идя навстречу пожеланиям разработчиков питающих систем малой мощности, компания SG Micro Corp (SGMICRO) выпустила микросхему SGM260320 – высокочастотный многоканальный импульсный преобразователь напряжения в ультракомпактном корпусе.

SGM260320 – это микросхема управления питанием (Power Management Integrated Circuit, PMIC), включающая в себя сразу три понижающих импульсных преобразователя энергии (Buck1…Buck3) и два линейных стабилизатора с малым падением напряжения (LDO1 и LDO2).

Несмотря на компактный корпус, размер которого составляет всего 2,82×2,42 мм, эта микросхема обладает превосходными электрическими характеристиками, малым энергопотреблением и позволяет осуществлять управление своими параметрами и режимом работы в реальном времени по стандартному интерфейсу I²C и/или при помощи внешних дискретных сигналов. Наличие большого количества встроенных защит, а также широкий диапазон рабочих температур повышает надежность и безопасность системы питания, построенной на ее базе.

Импульсные преобразователи Buck1…Buck3 работают на достаточно высокой частоте (1,125 или 2,250 МГц), что позволяет значительно уменьшить габариты используемых пассивных компонентов. Встроенные контуры обратной связи минимизируют количество внешних элементов, требуемых для нормальной работы SGM260320, а наличие схем компенсации существенно упрощает выбор этих элементов и улучшает переходные характеристики во всем рабочем диапазоне токов/напряжений. Все это значительно сокращает время на разработку и тестирование устройства, а также позволяет осуществить интеллектуальное управление системой питания без необходимости каких-либо изменений в печатной плате.

Основные характеристики микросхемы SGM260320

*диапазон 1: V_{OUT_Bx} = 0,6…2,991 В, шаг 9,375 мВ;

 диапазон 2: V_{OUT_Bx} = 0,8…3,9875 В, шаг 12,5 мВ.

Типовая схема включения SGM260320

Основная область применения микросхемы SGM260320 – питающие системы твердотельных накопителей (SSD). Высокая эффективность импульсных преобразователей Buck1…Buck3 и их отличные динамические характеристики обеспечивают стабильное питание контроллера и микросхем памяти даже при высокоскоростном чтении и записи данных, что необходимо для долговременной работы системы хранения.

Благодаря своей гибкости, а также широкому диапазону входных напряжений и рабочих температур SGM260320 может использоваться и для решения множества других задач как в бытовой электронике, так и в промышленном оборудовании. Например, эта микросхема является довольно привлекательным решением для многофункциональных устройств с автономным питанием, поскольку ее малое энергопотребление существенно увеличивает срок службы батареи или время работы аккумулятора.

Кроме того, за счет наличия нескольких независимых преобразователей напряжения применение SGM260320 позволяет упростить разработку электронной продукции, в состав которой входят компоненты, использующие разные шины питания.

При этом следует понимать, что SGM260320 является достаточно сложным устройством, и для оптимального применения разработчик должен понимать нюансы работы данной микросхемы, поэтому кратко разберем параметры ее внутренних узлов.

Система управления

Основой микросхемы SGM260320 является главный контроллер, управляющий критически важными операциями: последовательностью запуска узлов, задержкой включения и выключения, напряжением каждого канала, временем мягкого запуска и переходом в режимы сбоев и пониженного энергопотребления. Также он постоянно отслеживает аварийные ситуации, возникающие в системе, и реагирует на них в соответствии с требованиями, установленными пользователем. Кроме того, в задачи главного контроллера входит непрерывный контроль напряжения на выходах всех преобразователей, отслеживание состояния входных линий микросхемы и формирование выходных цифровых сигналов. Также через него при помощи стандартной шины I²C осуществляется доступ пользователя к параметрам системы на базе микросхемы. 

Интерфейс I²C используется для программирования таких параметров SGM260320, как выходное напряжение, пороговые значения схем защиты, механизмы реагирования на аварийные ситуации и так далее. Кроме того, по данному интерфейсу можно получить информацию о текущем состоянии системы. Микросхема поддерживает два режима работы шины I²C: Standard-Mode (f_{SCL_MAX} = 100 кГц) и Fast-Mode Plus (f_{SCL_MAX} = 1000 кГц), при этом она является ведомым устройством, которое может иметь 4 различных адреса.

Следует обратить внимание, что I2C-контроллер в рассматриваемой интегральной схеме не имеет встроенной функции тайм-аута, однако при обнаружении стартового бита он немедленно останавливает текущую обработку данных и сбрасывает свой внутренний регистр для осуществления новой транзакции.

Обмен данными между пользователем и микросхемой SGM260320 осуществляется традиционным способом – посредством внутренних регистров ИС. Отметим, что SGM260320 не имеет энергонезависимой памяти, доступной для записи, поэтому после включения питания все внутренние регистры будут содержать значения по умолчанию. Эти начальные значения загружаются при запуске микросхемы из ее внутреннего ПЗУ, которое в документации производителя называется Code Matrix Index (CMI). Данная область памяти является однократно программируемой, и ее инициализация производится на заводе-изготовителе, в связи с этим начальные значения внутренних регистров не могут быть изменены пользователем.

Список параметров системы, определяемых CMI, приводится в документации на SGM260320 (отдельно отметим, что адрес микросхемы на шине I²C содержится именно в этой области памяти в двух старших битах регистра 0x05). Вариант ПЗУ, прошитый в конкретный экземпляр микросхемы, указывается в его названии. Компания SGMicro предлагает на выбор три готовых набора параметров по умолчанию, однако по желанию заказчика значения некоторых из них могут быть изменены под конкретное приложение.

Важной особенностью микросхемы SGM260320 является возможность задания последовательности включения понижающих преобразователей Buck1…Buck3 и линейных стабилизаторов LDO1/2. Данная опция существенно расширяет возможности SGM260320 в многоканальных системах питания, позволяя интегральной схеме гибко подстраиваться под разрабатываемый проект. При этом для каждого из пяти выходных напряжений можно задать событие (триггер), по которому происходит включение соответствующего импульсного или линейного преобразователя, задержку его включения и выключения, а также время мягкого запуска (последний параметр настраивается только для узлов Buck1…Buck3).

Каждый выходной канал в качестве триггера может использовать состояние выхода какого-либо другого канала, внутренний сигнал наличия питания на микросхеме и внешний сигнал, подаваемый на один из входов SGM260320. Например, если для линейного стабилизатора LDO1 указать в качестве события включения канал Buck1, данный стабилизатор не включится, пока напряжение на выходе преобразователя Buck1 не стабилизируется на заданном уровне. Такая гибкость позволяет разработчикам реализовывать широкий спектр возможностей управления системой питания с использованием внешнего источника напряжения и/или хост-контроллера. Однако следует иметь в виду, что последовательность активизации выходов микросхемы, а также событие и задержка включения для каждого канала задаются при помощи CMI и не могут быть изменены пользователем в процессе работы.

Импульсные преобразователи напряжения

Микросхема SGM260320 включает в себя три импульсных понижающих преобразователя напряжения с синхронным выпрямлением (Buck1, Buck2 и Buck3), каждый из которых может работать на фиксированной частоте 1,125 или 2,250 МГц (определяется битом Bx_FSW). Кроме того, узел Buck1 может выступать в роли обычного электронного ключа, соединяющего напрямую свои вход и выход через небольшое сопротивление открытого канала внутреннего транзистора (≈13,5 мОм). Постоянный ток на выходе первого преобразователя может достигать 4 А, а на выходах второго и третьего – 3 А, однако при необходимости данные пороговые значения могут быть принудительно изменены пользователем. Напряжение на выходе импульсных преобразователей устанавливается по интерфейсу I²C в реальном времени, при этом доступны два диапазона его изменения:

Интересной особенностью SGM260320 является функция динамического масштабирования выходного напряжения (Dynamic Voltage Scaling, DVS). Она позволяет оптимизировать энергопотребление системы за счет, например, регулировки питания процессора в зависимости от его нагрузки. В нормальном режиме работы напряжение на выходе импульсного преобразователя Buckx определяется битами Bx_VSET0[7:0] соответствующего регистра микросхемы. При активизации функции DVS происходит автоматическое переключение выходного напряжения на значение, содержащееся в битах Bx_VSET1[7:0].

Важно учесть, что данное переключение производится плавно во избежание возникновения выбросов или провалов напряжения на выходе преобразователя, которые могут повлечь изменение режима работы SGM260320.

Активизировать функцию DVS можно при помощи прямой команды по интерфейсу I²C посредством использования одного из входов микросхемы или при переходе в спящий режим.

В устоявшемся режиме работы каждый понижающий преобразователь SGM260320 может быть принудительно выключен или включен командой, переданной по интерфейсу I²C. Все три преобразователя оснащены функцией мягкого старта, снижающей начальный бросок входного тока за счет обеспечения плавного и монотонного нарастания выходного напряжения независимо от сопротивления нагрузки. Длительность мягкого запуска может составлять 250 или 500 мкс, в зависимости от состояния бита BUCK_SS регистра 0x02. Кроме того, каждый преобразователь имеет функцию быстрого разряда выходной емкости, которая после выключения преобразователя автоматически притягивает его выход к земле через низкоомный резистор.

Каждый понижающий преобразователь оснащен встроенным скомпенсированным контуром обратной связи, который не только улучшает переходные характеристики узла во всем рабочем диапазоне, но и существенно упрощает выбор внешних компонентов. Поскольку компенсация петли ОС реализована внутри микросхемы SGM260320, при выборе дросселя и входного/выходного конденсатора пользователю не требуется выполнять какие-либо расчеты, достаточно лишь следовать простым рекомендациям производителя. Также каждый понижающий преобразователь имеет средства, позволяющие при помощи шины I²C минимизировать шум разрабатываемой системы питания. Для улучшения ее шумовых характеристик пользователь может синхронизовать включение силового транзистора с передним или задним фронтом управляющего импульса, а также несколько задержать открытие данного ключа относительно выбранного фронта.

Использование высоких частот преобразования позволяет существенно уменьшить размер и стоимость применяемых пассивных компонентов, а наличие синхронного выпрямителя вкупе с малыми потерями на внутренних ключах микросхемы делает понижающие преобразователи микросхемы SGM260320 крайне эффективными. Коэффициент полезного действия узлов Buck1…Buck3 при выходном напряжении +2,5 В и токе 1 А может достигать 95%, а при напряжении +1,2 В – порядка 90%.

Кроме того, при малой нагрузке и на холостом ходу каждый импульсный преобразователь микросхемы SGM260320 имеет возможность автоматического перехода в энергосберегающий режим (Power Save Mode, PSM).

Отметим, что хотя данный режим и увеличивает КПД проектируемой системы питания, он ухудшает ее переходные характеристики и точность установки выходного напряжения. В связи с этим производитель предусмотрел возможность отключения автоматического перехода преобразователя в режим PSM при помощи шины I2C.

Линейные стабилизаторы напряжения

В состав микросхемы SGM260320 входят два линейных стабилизатора с малым падением напряжения (LDO1 и LDO2), обладающих высоким коэффициентом подавления пульсаций питающего напряжения (PSRR). Максимальный выходной ток данных узлов составляет 460 мА_(TYP), однако данное значение может быть изменено пользователем при помощи интерфейса I²C. Аналогично импульсным преобразователям, напряжение на выходе линейных стабилизаторов может устанавливаться программным способом в режиме реального времени, при этом разработчику все так же доступны два диапазона:

Отметим, что в отличие от импульсных преобразователей, линейные стабилизаторы не поддерживают функцию динамического масштабирования выхода.

В устоявшемся режиме работы узлы LDO1 и LDO2 могут быть принудительно выключены или включены посредством интерфейса I²C. Оба стабилизатора оснащены функцией мягкого старта, длительность которого фиксирована и в среднем составляет 300 мкс. Кроме того, каждый стабилизатор после выключения позволяет быстро разряжать выходную емкость при помощи автоматического подключения выхода узла к земле через резистор сопротивлением порядка 50 Ом. Также стабилизаторы LDO1 и LDO2, аналогично импульсному преобразователю Buck1, могут выступать в качестве обычных электронных ключей, соединяя свои вход и выход через полностью открытый регулирующий элемент, имеющий сопротивление порядка 320 мОм.

Система защиты

Отметим, что маскирование хотя бы одной из рассматриваемых защит (OV или UV) не только отключает активизацию выхода nIRQ при возникновении соответствующей аварийной ситуации, но и предотвращает переход системы в режим сбоя (OV/UV).

• Схема двухуровневой защиты от перегрева. Главный контроллер SGM260320 непрерывно отслеживает внутреннюю температуру кристалла. В случае, когда она превысит пороговое значение предупреждения (125℃), будет активизирован выход nIRQ (если он не маскирован). По достижении критического порога (155℃) все выходы микросхемы немедленно отключатся до момента нормализации температурного режима кристалла.

• Схема защиты от токовых перегрузок. В импульсных преобразователях Buck1…Buck3 реализована двухуровневая защита от перегрузки. Первый уровень срабатывает, когда ток силового ключа превышает 75% от заданного значения в течение 16 последовательных тактов работы преобразователя. При этом устанавливается флаг предупреждения и активизируется выход nIRQ (если он не маскирован). Второй уровень защиты срабатывает, когда ток через ключ достигает установленного предельного значения. В этом случае микросхема автоматически снижает данное установленное значение в каждом такте преобразователя, что в итоге приводит к падению выходного напряжения и к возникновению сбоя OV/UV с соответствующим перезапуском системы. В линейных стабилизаторах LDO1/2 реализована одноуровневая защита от перегрузки. Здесь при достижении током стабилизатора установленного предельного значения микросхема автоматически ограничивает выходной ток, что приводит к снижению напряжения на выходе и, возможно, к возникновению сбоя OV/UV. Кроме того, такая ситуация может вызвать стремительный нагрев кристалла, в результате чего сработает также и тепловая защита. Предельные значения выходного тока могут быть запрограммированы через интерфейс I²C как для импульсных преобразователей, так и для линейных стабилизаторов.

Вся линейка продукции SG Micro Corp (SGMICRO) представлена в каталоге ЮниРЭК.  

На дополнительные вопросы ответят специалисты ЮниРЭК:

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ, ЗАКАЗ ОБРАЗЦОВ, УСЛОВИЯ ПОСТАВКИ, ПОДБОР АНАЛОГОВ

или свяжитесь: info@unirec.ru; 8 (800) 511-65-20