Durchbruch bei Dichte und Leistung Die nächste Generation von integrierten Spannungsreglern

Ein integrierter Spannungsregler (IVR) punktet deshalb mit einer 10-fachen Reduzierung der Leiterplattenfläche und somit mit einer höheren Effizienz. Das Ergebnis ist eine Stromversorgung die sich durch Einfachheit, Geschwindigkeit sowie Genauigkeit auszeichnet und ohne diskrete Komponenten auskommt.

IVR im Detail

Ein integrierter Spannungsregler ist ein Stromversorgungsbaustein, der Leistung, Effizienz und Größe sowie Kostenvorteile für energie- und datenintensive elektronische Anwendungen bietet, indem er die herkömmlichen integrierten Stromversor­gungsschaltungen (PMIC) durch einen einzigen winzigen ersetzt.

Die Notwendigkeit, neben anderen Funktionen Eingangs- und Ausgangsfilterung, Schaltungsschutz, Konfigurierbarkeit und Kompensation für Rückkopplungsschleifen bereitzustellen, bedeutet, dass herkömmliche Spannungsregler-PMICs mit zusätzlichen sperrigen Kondensatoren, Widerständen und Induktivitäten kombiniert werden müssen. Dies ist dank des integrierten Spannungsreglers von Empower nicht mehr der Fall. Der IVR ist ein Durchbruch im Vergleich zu herkömmlichen PMIC-Lösungen, da er einen schaltenden Spannungsregler mit allen erforderlichen Steuer- und Filterschaltungen in einem einzigen Bauteil integriert, ohne auf weitere externe Komponenten angewiesen zu sein.

Warum brauchen wir IVRs?

IVRs werden immer wichtiger, um die Systemleistung und -funktionalität zu verbessern und gleichzeitig die Effizienz und Leistungsdichte zu erhöhen. Dies gilt insbesondere für datenintensive Anwendungen wie Rechenzentren und KI-Systeme, die Server, Switches, Router, Adapterkarten, Speicher, drahtlose Verbindungen und optische Transceiver erfordern.

Die Systemeffizienz bietet nicht nur Vorteile bei den Betriebskosten und der Systemgröße, sondern steht auch ganz oben auf der Design-Agenda, da die Welt nach Möglichkeiten sucht, den weltweit steigenden Strombedarf zu decken und gleichzeitig die Kohlenstoffemissionen zu senken. Da IVR im Vergleich zu herkömmlichen Systemen bis zu 50 Prozent Energie einsparen können, sind sie in einer einzigartigen Position, um einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung der aggressiven Effizienzziele auf Systemebene zu leisten, die zur Erreichung dieser Ziele erforderlich sind.

IVR vs. herkömmliches Design

Neben einer Verbesserung der Systemleistung, zum Beispiel Lastsprungverhalten und DVS, bieten IVRs den Ingenieuren eine erhebliche Designflexibilität, da sie das Design und die Implementierung von Spannungsregelungsschaltungen enorm vereinfachen. Weitere Vorteile ergeben sich aus einer verbesserten Anwendungszuverlässigkeit dank einer geringeren Anzahl von Anschlüssen, einer geringeren Anfälligkeit für EMI, einer minimierten Materialliste und einer Verringerung der Leiterplattenabmessungen.

Einschwingverhalten

Das Lastübergangsverhalten eines Reglers ist für datenintensive Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Da sich die Systemleistungen verbessern und die Prozessorgeschwindigkeiten weiter steigen, sind viele der vorhandenen PMICs zu langsam, um auf schnell wechselnde Lasten zu reagieren und nach einer Überspannung in den stabilen Zustand zurückzukehren. Da die Leistung proportional zum Quadrat der Spannung ist, wird umso mehr Energie verschwendet, je größer die Spannungsschwankung ist und je länger es dauert, von der Überspannung zur geregelten Spannung zurückzukehren.

IVR helfen den Ingenieuren bei der Lösung dieses Problems dank einer Kombination aus hohem Integrationsgrad und proprietären Steuerungstechniken. Einige der neuesten Bauelemente können eine straffe Spannungsregelung durch ultraschnelle Transienten liefern und bieten Einschwingzeiten, die bis zu hundertmal kürzer sind als bei herkömmlichen Reglern - und das alles ohne zusätzliche Kondensatoren.

Dynamische Skalierung

Ein weiterer wichtiger Beitrag zur Systemeffizienz ergibt sich aus der Art und Weise, wie der IVR die dynamische Spannungsskalierung (DVS Dynamic Voltage Scaling) handhabt. DVS ist eine Technik zur Verwaltung der Systemleistung, die in Echtzeit die Versorgungsspannung optimiert, um die Verluste zu minimieren, indem sie die niedrigste mögliche Spannung für den Betrieb zu einem bestimmten Zeitpunkt liefert.

Mit DVS, das bis zu 1.000-mal schneller ist als herkömmliche Designs, ermöglichen neue Generationen von IVRs schnelle und verlustfreie Änderungen des Prozessorleistungszustands innerhalb von Nanosekunden. Durch die nahezu sofortige Spannungsbereitstellung werden Überspannungen und damit Energieverschwendung vermieden.

Das Ergebnis ist eine drastisch verbesserte Effizienz bei der Steuerung von CPUs, GPUs und anderen schnellen, taktgesteuerten digitalen Siliziumkomponenten. Dies liegt daran, dass fast alle diese Komponenten Leistungszustände (Frequenz-Spannungs-Kombinationen) verwenden, die darauf abzielen, den Stromverbrauch pro Operation zu minimieren. ExpressV DVS beseitigt nicht nur die Energieverschwendung bei Zustandsübergängen, sondern ermöglicht es dem System auch, auf die Unwägbarkeiten der Vorhersage künftiger Betriebsbefehle bei der Bestimmung des korrekten Energiezustands zu verzichten.

Integration

Die winzige Chipgröße und die Integrationsfähigkeit der IVR ermöglichen eine sehr enge Kopplung mit der digitalen Last. Die Grundfläche der IVR-Die-Lösung ist so klein, dass sie direkt auf ein Substrat im SoC selbst montiert werden kann. Darüber hinaus kann die Dicke des Chips nur 100 µm betragen, so dass er auf der Unterseite eines Substrats montiert werden kann und in die Höhe eines BGAs passt.

Durch die Integration des IVR in eine Chiplösung werden durch die enge Kopplung der Last nicht nur die I2R-Verluste eliminiert, sondern auch keine großen Bänke mit Entkopplungskondensatoren benötigt. Diese Fähigkeit erhöht die Systemeffizienz, während die Anzahl der Komponenten und die Gesamtsystemkosten weiter reduziert werden. Die Gesamtsystemeinsparungen sind dramatisch, wenn man die Reduzierung des Platzbedarfs auf der Platine bei gleichzeitiger Nutzung der Leistungsvorteile berücksichtigt. Die Effizienz kann extrem maximiert werden, während Funktionen wie ExpressDVS und die unglaubliche Lasttransiente Systemleistungsmerkmale ermöglichen, die zuvor so nicht möglich waren.

Ein Applikationsbeispiel

Ein gutes Beispiel für die Effizienzverbesserungen, die IVRs ermöglichen, ist ihr Einsatz in Systemen von Rechenzentren. Der Einsatz von IVRs in den Stromversorgungsschaltkreisen von High-End-Servern und Speichergeräten kann den Energieverbrauch von Rechenzentren um bis zu 30 Prozent senken. Wenn diese Energieeinsparung in allen Rechenzentren der Welt erreicht würde, entspräche dies einer jährlichen Energieeinsparung von 240 TWh und einer Verringerung der CO₂-Emissionen um etwa 130 Millionen Tonnen.

Integrierte IVR-Technologie

Aufgebaut auf einer CMOS basierenden Plattform und unter Verwendung der patentierten digital konfigurierbaren Resonanztechnologie, gehören die EP70xx (1.8V) und EP71xx (3.3V)-Abwärtsregler von Empower zu den schnellsten und kleinsten Schaltregler der Welt. Jeder Baustein kann direkt von einer 1,8V beziehungsweise 3.3-V-Eingangsversorgung oder als zweite Stufe einer zweistufigen Wandlertopologie betrieben werden.

EP70xx IVRs sind mit ein-, zwei- oder dreifach geregelten Ausgängen erhältlich, die Serie EP71xx mit bis zu vier Ausgängen und integrieren alle diskreten Komponenten, die für eine komplette Stromversorgung benötigt werden, in einem einzigen, kompakten BGA-Gehäuse im Chipmaßstab mit Abmessungen von nur 5x5 mm beziehungsweise 7x5 mm. Damit sind sie bis zu zehnmal kleiner als herkömmliche Spannungsregelungsschaltungen, die aus diskreten Halbleitern und passiven Komponenten bestehen.

IVR vereint Technologien

Die Bausteine der Familie weisen Spitzenwirkungsgrade von bis zu 92 Prozent mit nahezu flachen Wirkungsgradkurven bei unterschiedlichen Lasten auf und können einen Lastsprung von Null bis zu 10 A (EP71xx 12A) Ausgangsstrom in nur 500 ns mit Spannungsausschlägen von unter 15 mV regeln.

Alle Mitglieder der EP7xxx-Familie bieten eine höhere Genauigkeit bei Vollaussteuerung sowie extrem schnelle Transienten und Einschwingzeiten, die bis zu 100-mal schneller sind als bei herkömmlichen Designs. Dies ist darauf zurückzuführen, dass herkömmliche Wandler bei niedrigen Frequenzen (0,3 bis 3 MHz) arbeiten müssen, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, und daher mehrere große Kondensatoren für die Ausgangs- und Eingangsfilterung erforderlich sind, um ein angemessenes Einschwingverhalten zu erreichen. Durch die Eliminierung dieser großen Kondensatoren kann die Ausgangsspannung des IVR um ein Drittel oder weniger abfallen, wobei die Erholungszeiten hundertmal schneller sind als bei den besten DC/DC-Wandlern der heutigen Klasse.

Zusätzlich verfügen die Empower IVR-Produkte über ExpressV DVS, ein schnelles und programmierbares DVS, das mit bis zu 12 mV/ns über tausendmal schneller ist als herkömmliche Technologien. Dadurch ermöglichen diese Bausteine rasche Zustandsänderungen der Prozessorleistung innerhalb von Nanosekunden.