有效提供高完整性電源給關鍵負載使用，且僅對電路板空間帶來最小影響

大數據伺服器，加上機器學習、人工智慧 (AI)、5G 基地台、IoT 以及企業運算等應用，通常需要強大的 ASIC、FPGA、GPU、CPU，而這些都需要在低電壓下獲得高電流，並在小型覆蓋區內保持高功率密度。為確保整個系統的電源完整性，目前採用分散式電源管理系統將 DC/DC 電源正確供應至負載點 (POL)，亦即高效能處理器。單一板件上可能配有許多這類 DC/DC 電源轉換器，因此設計人員面臨的問題就是要將這些元件設計得越小越好，才可節省電路板空間。與此同時，也需要兼顧效能、延遲性、散熱、效率、可靠度等多項需求，還要簡化設計流程並降低成本。

若要解決上述多項問題，需採用先進的封裝技術，將高效能半導體和被動元件合併，進而達到較高階的系統整合。與其他目前可用的技術相比，這種方法已顯示可達到更小的尺寸和更薄的外形，同時還能增進熱管理。此整合式方法還能控制導入設計成本，包括庫存管理和開發時間。

本文將探討對分散式電力網路的需求以及 POL 電源裝置的角色。接著會介紹 TDK Corporation 推出的一類 POL DC-DC 轉換器，其採用先進的封裝技術，可達到所需的效能特性。本文也會探討這些轉換器的突出屬性，並向設計人員展示如何部署轉換器，以順利滿足其 POL 電力傳輸需求。

為何使用 POL DC/DC 轉換器電源

電腦、伺服器和其他數位設備陸續採用 FPGA、ASIC 和其他先進 IC 裝置，但這類裝置所需的多種電源電壓，並無法從系統電源供應器取得。此外，還會要求這些電壓以正確的順序排列，且需具有最小的延遲。系統電源供應器通常提供多種固定電壓，如 1 V、3.3 V 和 5 V。典型的 FPGA 需要 1.2 V 至 2.5 V 範圍內的電壓 (圖 1)。

圖 1：典型的 FPGA 需要多種專門用於處理器內特定功能的電壓 (按此放大)。此處顯示的處理器使用八個專用電源輸入，並使用三種不同電壓。(圖片來源：Art Pini)

FPGA 至少要針對核心和 I/O 部分使用單獨的電源。範例中的 FPGA 核心在 1.2 V 下運作，而 I/O 功能在 2.5 V 下運作。此外，FPGA 的輔助電路還另外需要六個功率位準。若將七個電源放在 FPGA 附近，明顯會給電路板佈局設計帶來負擔。此外，還需要考慮散熱問題，因此電源必須小巧高效。

專利技術達到獨特的系統整合

為了符合尺寸要求，TDK 針對 POL DC/DC 轉換器自行研發了一種設計，摒棄了離散元件並排佈局，而是採用該公司半導體嵌入式基板 (SESUB) 系統級封裝 (SiP) 技術為基礎的 3D 整合作法。高效能半導體結合脈寬調變 (PWM) 控制器和 MOSFET 後，再嵌入到 250 µm 電路板基板內，形成降壓轉換器。電路輸出電感和電容也整合到 3D 佈局中，形成一個超小巧且散熱效能增進的封裝 (圖 2)。

圖 2：專利的 SESUB 技術將先進電力控制器 IC 和 MOSFET 整合到 250 mm 基板中，同時包括電路輸出電感和電容，構成一個高度整合的 DC/DC 轉換器模組。(圖片來源：TDK Corporation)

獨特的 POL 電源解決方案

TDK 以 SESUB 為基礎，推出 μPOL (讀作 micro-POL) 系列小型 DC/DC 電源模組。此系列產品的指定型號是 FS140x-xxxx-xx，共有 19 種選擇，輸出電壓位準為 5、3.3、2.5、1.8、1.5、1.2、1.1、1.05、1、0.9、0.8、0.75、0.7 和 0.6 V。這些產品可支援 3 A 至 6 A 的連續負載電流，視型號而定，封裝尺寸為 3.3 x 3.3 x 1.5 mm (圖3)。

圖 3：μPOL DC/DC 轉換器尺寸僅有 3.3 x 3.3 x 1.5 mm，但可處理高達 15 W。(圖片來源：TDK Corporation)

由於採用獨特的物理設計，此 DC/DC 轉換器系列可提供高達 1 W/mm³ 的功率密度，因此在此小封裝下就可處理高達 15 W。

標稱輸出電壓於出廠時即設定在 ±0.5% 範圍內。其中包含一個 I²C 介面，可對轉換器進行本機控制。輸出電壓能在預設標稱電壓附近，以 ±5 mV 的步進進行微調。

探查 FS1406 μPOL 轉換器內部

FS1406-1800-AL 1.8 V DC/DC 轉換器的功能方塊圖顯示，儘管尺寸較小，此裝置卻富含許多精密的電路功能 (圖4)。

圖 4：FS1406-1800-AL DC/DC 轉換器功能方塊圖顯示電路的精密程度，包括內部 PWM、I²C 埠、控制邏輯和輸出 MOSFET。(圖片來源：TDK Corporation)

FS1406-1800-AL 的標稱輸出為 1.8 V，連續負載能力為 6 A。其輸出電壓介於 0.6 V 至 2.5 V 之間，可透過 I²C 進行編程。本產品需要 4.5 V 至 16 V 的輸入電壓，指定的工作溫度範圍為 -40°C 至 +125°C。

此 DC/DC 轉換器的核心是自行研發的 PWM 調變器，專為提供快速的暫態響應而設計。PWM 調變器的工作切換頻率，與轉換器的輸出電壓成正比。此調變器包含內部穩定性補償功能，能依據不同的輸出電容類型進行匹配，無需使用外部補償網路，因此可達到「隨插即用」。調變器的 PWM 輸出可驅動 MOSFET 電源裝置的閘極電路。如前所述，輸出濾波器電感包含在封裝內，能進一步減少外部元件數量。

請注意，FS1406 含有一個內部低壓降 (LDO) 穩壓器，其工作電壓約為 5.2 V，可為供電給內部電路和 MOSFET。

此外，設計人員應注意內建的保護功能，包括軟啟動保護、「電源良好」狀態線、過壓保護、預先偏壓式啟動、具有自動恢復功能的熱關斷，以及具有打嗝模式的熱補償過電流保護。如果偵測到過電流事件，打嗝模式會關閉電源一段固定時間，並重複執行此流程直到故障排除為止。

I²C 介面可用來設定輸出電壓。此介面還可設定系統最佳化參數，包括啟動和保護功能的參數。

典型應用

FS1406 系列是全整合式產品，出廠時即微調至指定的目標電壓，無需使用輸出分壓器。此設計的確需要添加最小的輸出電容，以確保輸出漣波和負載穩壓在可接受範圍內。此外，還需要一個輸入電容來處理輸入電流要求。需要添加的最小電路元件如圖 5 所示。

圖 5：在典型應用中，FS1406 μPOL DC/DC 轉換器系列至少需添加輸入和輸出電容。(圖片來源：TDK Corporation)

輸入和輸出電容應具有低等效串聯電阻。建議採用多層陶瓷電容。FS1406 規格書提供如何計算輸入和輸出電容值的詳細指南。

評估板協助設計人員開始進行設計

μPOL 轉換器 1.8 V 款式的評估板是 EV1406-1800A，可提供附有 1.8 V 輸出和 12 V 輸入源的 DC/DC 轉換器設計。此板件提供 0 A 至 6 A 的輸出電流，尺寸為 63 x 84 x 1.5 mm (圖 6)。

圖 6：EV1406-1800A 評估板尺寸為 63 x 84 x 1.5 mm；μPOL DC/DC 轉換器以黃色凸顯，呈現出體積小巧的特色。(圖片來源：TDK Corporation)

µPOL 的尺寸和電力傳輸能力，能讓其中幾個元件輕鬆地安裝在 FPGA 或 ASIC 周圍。評估板除了提供設計範例外，還具有開放的通孔式元件位置，能讓使用者對輸入和輸出電容值進行實驗。此外還有一個排針座，可用來選擇 FS1406-1800 內部偏壓電源或是外部電壓源。另一個排針座則可輕易存取 I²C 介面。

I²C 編程硬體鎖

為協助進行設計，TDK 提供 TDK-MICRO-POL-DONGLE I²C 編程板，能以 ±5 mV 的步進改變輸出電壓。此板件還可對系統保護參數進行編程。此硬體鎖可搭配 TDK 免費提供的 GUI 軟體套件使用，因此可輕鬆調整轉換器。

結論

如果設計人員需要可靠、高完整性的 POL 電力傳輸，且僅對電路板空間造成最小影響，TDK 的 mPOL 系列 19 款 DC/DC 轉換器可針對多種應用提供合適的解決方案。此系列可支援 14 種常見的輸出電壓位準，皆可透過 I²C 埠以 ±5 mV 步進進行調整。µPOL 獨有的 SESUB 專利結構可提供高功率密度，且僅需最少的支援元件。