Бусинковый дроссель в цепи напряжения питания процессора

Ферритовые сетевые бусинки, являющиеся альтернативой тороидным дросселям, имеют меньшие размеры, обеспечивают больший КПД и лучшие допуски при использовании в регуляторах базового напряжения питания VCORE.

Дроссели с тороидальной обмоткой долгие годы использовались в регуляторах напряжения питания ядра процессора (VCORE). Исторически сложилось так, что на значительные размеры, допуски и потери мощности в дросселях не обращали внимания, пока обеспечивалась минимальная стоимость решения. Однако с течением времени ужесточившиеся требования выявили негативные стороны использования тороидального дросселя (размер, допуски и КПД). Его усовершенствование привело к повышению цены этого некогда недорогого устройства. Существующая альтернатива — проходной (through-hole technology — THT) дроссель бусинкового типа для цепей питания отвечает возрастающим требованиям к VCORE. В статье сравниваются характеристики сетевого бусинкового дросселя в приложении VCORE с аналогичными характеристиками тороида.

Каждое последующее поколение процессоров требует снижения времени переходных процессов, что, в свою очередь, приводит к необходимости более быстрого изменения тока через дроссель. Такое изменение достигается за счет снижения индуктивности L.К сожалению, по мере снижения индуктивности нарастают пульсации тока, повышаются потери в дросселе. За несколько последних лет значения индуктивности упали в два раза. В ближайшие два года ожидается, что она еще снизится на ту же величину. В результате уменьшения индуктивности дросселя стали более заметны паразитные индуктивности участков цепи, например между дросселем и процессором. Для их устранения необходимо установить дроссель ближе к процессору.Кроме того, требование по размещению все большего числа компонентов ближе к процессору вызывает необходимость уменьшить площадь каждого из них. В настоящее время обычной практикой стало использовать сопротивление дросселя по постоянному току (DCR) в качестве токочувствительного элемента для защиты от тока перегрузки и спада выходного напряжения. Это делается путем измерения падения напряжения на дросселе и последующего выделения части этого перепада, не относящегося к эдс самоиндукции. Итак, допуск на DCR дросселя и величина индуктивности, которые прежде никогда не брались в расчет, в настоящее время непосредственно стали влиять на точность измерения тока. Традиционно КПД решений для VCORE принимался в расчет, только если возникали проблемы с тепловыделением. Однако в настоящее время повышение эффективности, требуемое стандартами Energy Star, и возросшее тепловыделение вынуждают снижать рассеиваемую мощность.Для приемлемого соотношения сигнал/шум сопротивление DCR нельзя делать слишком малым. Однако недавнее усовершенствование ШИМ-цепей позволяет использовать DCR с меньшими номинальными значениями. Для оптимизации КПД необходимо использовать дроссели с этими улучшенными параметрами. Все эти улучшения не должны достигаться за счет увеличения стоимости компонентов дросселя.

В прошлом тороидальные дроссели (см. рис. 1) были наименее дорогим решением VCORE. Изначально в них использовались недорогие порошковые сердечники из карбонильного железа с высокой магнитной проницаемостью (75 перм). Для снижения значений индуктивности потребовалось уменьшить количество витков, поскольку L ≈ N2витк..

Однако снижение числа витков приводит к увеличению рабочего значения магнитной индукции внутри сердечника (∆B ≈ 1/N), что, в свою очередь, ведет к повышению потерь в сердечнике в соответствии с формулой PCORE(W) ≈ (∆B)2x. По мере дальнейшего снижения значений индуктивности уменьшение числа витков сопряжено с возрастанием потерь сердечника.По этой причине стали использоваться более дорогие сердечники с меньшей проницаемостью (55 перм) и лучшими характеристиками потерь. Для обеспечения заданной величины индуктивности эти сердечники требуют большего числа витков. Несмотря на то, что у порошковых сердечников с малой магнитной проницаемостью небольшие потери, они относительно высоки по сравнению с потерями сердечников из других материалов. В результате такой подход повышает стоимость решений при относительно высоких потерях в сердечнике и обмотке из-за большего числа витков. На величину допуска DCR тороидального дросселя влияет допуск на размеры конкретного сердечника и плотность его обмотки, а также разброс в значениях ее сопротивления. Сопротивление проволоки с круглым сечением имеет строгий допуск в ±2%. Однако при использовании тороида невозможно без отбраковки, которая значительно повышает цену изделия, добиться допуска менее ±10%. К этой цифре следует добавить отклонения от номинальной величины индуктивности рассеяния. Несмотря на то, что отдельные результаты оказались в пределах установленных допусков, в целом полученные данные были неудов­летворительными. Так, при потребности обеспечить допуски менее ±10% возникает необходимость в ином типе дросселя. Тороиды неэффективно используют занимаемое место. Обычно в центре этого компонента — достаточно большое пустое пространство, тогда как обмотка выступает за сердечник, образуя незаполненные места между витками и увеличивая общую площадь.Требуется достаточно много времени на изготовление тороидов с относительно большим количеством витков и меди. Затраты труда растут, цена меди и другого сырья остается сравнительно высокой. Эти основные ценовые факторы вкупе с более дорогими порошковыми сердечниками с малой магнитной проницаемостью и в дальнейшем будут повышать стоимость тороидальных дросселей.

Желание сократить допуски, уменьшить размеры, повысить КПД и снизить стоимость компонентов привело к созданию нескольких альтернативных решений. Одно из них — проходной дроссель-бусинка (см. рис. 2), состоящий из ферритового одновиткового сердечника с зазором.

Потери ферритовых сердечников примерно в 20 раз ниже таковых у порошковых сердечников при той же магнитной индукции и частоте. Кроме того, феррит, в отличие от порошкового железа, не подвержен термическому старению — процессу, при котором связующее вещество в порошковых сердечниках разрушается при повышенных температурах, что приводит к увеличению потерь сердечников. Одновитковая обмотка сетевых бусин позволяет задать минимально приемлемое значение DCR дросселя, которое можно использовать для измерения тока. Одновитковая обмотка также позволяет значительно уменьшить допуск на DCR. Выводы дросселя можно отформовать с малыми разбросами, т.к. в этом процессе не используется ручная сборка, а его результаты не зависят от допусков на сердечники. В итоге допуски на DCR составляют ±4%. Это значительный шаг по сравнению с допусками ±10% у тороидальных дросселей.Более того, индуктивность сетевых бусинок, в которых имеется физический зазор между половинами сердечника, почти полностью зависит от механических размеров этого зазора. Таким образом, довольно легко сохранить допуск на индуктивность равным ±10% и менее.Имеется только один недостаток в использовании ферритового сердечника с зазором. В дросселе энергия магнитного поля сосредоточена в воздушных зазорах. В порошковом сердечнике воздушные зазоры разных размеров распределяются по всему сердечнику. Когда магнитная индукция увеличивается при достижении пикового значения тока, каждый зазор насыщается в разные моменты времени. Совокупный эффект такой распределенной структуры зазоров приводит к медленному насыщению и постепенному спаду индуктивности в зависимости от пикового значения тока. В ферритовой структуре существует только один-два зазора, в результате чего насыщение сердечника и спад индуктивности при пиковых значениях тока наступают быстрее. Следовательно, при создании сетевой бусинки необходимо добиться того, чтобы этот компонент обеспечивал защиту приложения от пиковых переходных токов. Если бусинка правильно спроектирована, она обеспечит более высокий КПД, меньшие допуски и размеры, чем тороидальный дроссель.

Чтобы удостовериться в правильности приведенных соотношений, специалисты компании Pulse Engineering протестировали дроссели для трех случаев. Были проведены сравнительные испытания приложения с 325-нГн дросселями и с приложениями следующего поколения с двумя дросселями величиной 220 и 160 Гн соответственно.Испытывались дроссели с горизонтальным проходным тороидом с порошковым сердечником из карбонильного железа и сетевая проходная бусина с ферритовым сердечником. Во избежание возможного насыщения во время всплеска нагрузки сетевые бусины были рассчитаны на номинальное значение пикового тока в 50 A, что в два раза превышает максимальный ток.Минимальное значение DCR поддерживалось равным 0,50 мОм, чтобы использовать все дроссели в токоизмерительных цепях. Во всех случаях допуски на DCR сетевой бусины составляли ±4%, что намного лучше показателя ±10% тороидальных компонентов. Следует подчеркнуть, что все испытываемые дроссели являлись реальными компонентами, а не теоретическими моделями. Эти дроссели были протестированы на реальной демонстрационной трехфазной плате, работающей в диапазоне 12…1,2 В при частоте 250 кГц и выходном токе 10…80 А. Кривые КПД представлены на рисунках 3—5.

Заметим, что в целом измеренные КПД ниже по той причине, что плата не была оптимизирована для каждого случая изменения индуктивности. Однако относительные показатели эффективности для решений с использованием тороидального дросселя и бусины не меняются. Измеренные и расчетные значения сэкономленной мощности при использовании сетевых бусин вместо тороидальных дросселей представлены на рисунках 6 и 7 соответственно. Кроме того, на рисунке 8 показаны результаты сравнения относительного размера тороидального дросселя и бусины.

В предлагаемом на рынке 325-нГн дросселе VCORE (модель Pulse PA1549NL) используется 35-перм порошковый сердечник с внешним диаметром 0,44 и четырьмя витками провода 2×18GA. Этот дроссель имеет размеры 14,5×14 мм; номинальное значение DCR — 0,76 мОм; расчетные потери сердечника — 560 мВт (12…1,2 В на частоте 250 кГц). Проходная бусина (модель Pulse PN PA2125NL) с той же индуктивностью имеет размеры 15,9×8,9 мм; номинальное значение DCR — 0,54 мОм; расчетные потери сердечника — 130 мВт (12…1,2 В на частоте 250 кГц). Как видно из рисунка 3, КПД бусины выше при всех нагрузках. Экономия мощности при малой (24 Вт) и большой (84 Вт) нагрузках составляет 1,2 и 1,6 Вт соответственно, что достаточно хорошо согласуется с прогнозировавшимися значениями 1,3 и 1,7 Вт (см. рис. 7). Общая площадь (см. рис. 8) сократилась на 31%.

Чтобы избежать чрезмерных потерь сердечника у низкоиндуктивного (220 нГн) тороидального дросселя, необходимо воспользоваться более дорогим порошковым сердечником с меньшей магнитной проницаемостью. Тороидальный 220-нГн дроссель (Pulse PA2164NL) использует 14-перм порошковый сердечник с внешним диаметром 0,44 и шестью витками провода 2×18GA. Этот дроссель имеет размеры 14,5×14 мм; номинальное значение DCR — 1,1 мОм; расчетные потери сердечника — 136 мВт.Сетевая бусина (Pulse PA1894NL) с той же индуктивностью имеет площадь 10×10 мм; номинальное значение DCR равно 0,51 мОм; расчетные потери сердечника — 130 мВт. Как видно из рисунка 4, КПД при полной нагрузке выше у бусины, но при небольших нагрузках показатели тороида с невысокой магнитопроницаемостью несколько лучше. Значение сэкономленной мощности при небольшой (24 Вт) нагрузке меньше расчетного на 0,4 Вт, а при большой (84 Вт) нагрузке — больше на 1,3 Вт (см. рис. 7). Расхождение в результатах может быть обусловлено различиями в монтаже компонентов или отклонениями действительных потерь сердечника от расчетных. В любом случае экономия, составляющая 1,3 Вт при больших нагрузках, вместе с уменьшившейся на 50% площадью компонента (см. рис. 8) говорит в пользу решения с бусиной.

В тороидальном 160-нГн дросселе (Pulse PA2142NL) также используется 14-перм порошковый сердечник с внешним диаметром 0,44 и пятью витками провода 17GA. Этот дроссель имеет размеры 14,5×14 мм; номинальное значение DCR — 0,7 мОм; расчетные потери сердечника — 202 мВт.Сетевая бусина THT (PA2080NL) с той же индуктивностью имеет размеры 10×7,5 мм; номинальное значение DCR — 0,5 мОм; расчетные потери сердечника — 150 мВт. Как видно из рисунка 5, КПД сетевой бусины минимально лучше при небольшой нагрузке и лучше — при большой. Следует заметить, что показатели тороидального дросселя, имеющего сердечник с высокой магнитной проницаемостью (35 перм), также были учтены в кривой КПД. Ясно, что даже если DCR у данного компонента относительно ниже, чрезмерные потери сердечника сводят на нет это преимущество. Экономия мощности при небольшой и большой нагрузках составляет, соответственно, 0,2 и 0,9 Вт (см. рис. 6).

Эти результаты хорошо согласуются с расчетными значениями 0,2 и 0,5 Вт (см. рис. 7).