تعاونت Renesas Electronics مع AMD لتطوير تصميم مرجعي جاهز للمساحة لنظام AMD Versal التكيفي على الرقاقة (SoC) XQRVC1902. هذا التصميم المرجعي ، المسمى ISLVERSALDEMO2Z ، يدمج المكونات المقواة بالإشعاع لإدارة الطاقة ، بما في ذلك أربعة دوائر متكاملة جديدة من Intersil. تم تصميم الحل لدعم مجموعة واسعة من قضبان الطاقة التي تتطلبها أنظمة إلكترونيات الطيران الفضائية من الجيل التالي ، وتلبية متطلبات الطاقة الصارمة لـ FPGAs و ASICs في المهمات الفضائية. توفر شركة Versal Adaptive SoC القدرة على تحمل الإشعاع واستدلال الذكاء الاصطناعي المعجل وأداء معالجة إشارة النطاق الترددي العالي. يولد ISLVERSALDEMO2Z قضبان طاقة مختلفة لمنصة Versal ، بما في ذلك مصدر جهد أساسي منخفض 0.80 فولت قادر على الحصول على ما يصل إلى 140 أمبير من التيار. إن البصمة الصغيرة للتصميم المرجعي وأجهزة إدارة الطاقة التي تم اختبارها لمقاومة الإشعاع تجعله حلاً مثاليًا لإدارة الطاقة في مهام الفضاء.
يأتي التصميم المرجعي الجديد لشركة Renesas مع مجموعة من أجهزة إدارة الطاقة التي تم اختبارها والتحقق منها لتحمل التعرض لمستويات عالية من الإشعاع. وتشمل هذه أجهزة التحكم في تعديل عرض النبض (Pulse Width Modulation (PWM) ، وبرامج تشغيل نصف الجسر GaN FET ، ومنظمات نقطة التحميل (POL) ، ومفاتيح الطاقة والتمكين ، ومسلسلات الطاقة. تأتي الأجهزة في عبوات صغيرة الحجم ، لذلك لا تشغل مكونات سكة الطاقة الأساسية سوى 104 سنتيمترات مربعة من مساحة اللوحة ، أي ما يعادل تقريبًا بطاقتي عمل.
إدارة الطاقة
في مقابلة مع Power Electronics News ، قال كيران برنارد ، Product Line Marketing ، Intersil Space / Hi-Rel Products Industrial Analog and Power Group في Renesas Electronics ، إن استخدام مصدر طاقة يعتمد على GaN في التصميم المرجعي ISLVERSALDEMO2Z للنواة يوفر العديد من المزايا لإدارة الطاقة في أنظمة إلكترونيات الطيران الفضائية:
كفاءة أعلى: تتميز GaN FETs (ترانزستورات تأثير حقل نيتريد الغاليوم) بخصائص فائقة في أشباه الموصلات مقارنةً بدوائر MOSFET التقليدية. تحتوي GaN FETs عادةً على RDSON أصغر بكثير (على المقاومة) وسعة إدخال لجهد انهيار معين. تسمح هذه الخاصية الملازمة لمصادر الطاقة باستخدام GaN FETs لتحقيق مستويات أعلى بكثير من الكفاءة ، خاصة في ترددات التحويل السريع.
انخفاض فقد الطاقة: الطرق السفلية (on) لـ GaN FETs تعني أن هناك خسائر توصيل منخفضة أثناء مرحلة التشغيل. بالإضافة إلى ذلك ، ينتج عن السعة المنخفضة للمدخلات انخفاض خسائر التبديل. هذا الانخفاض الإجمالي في فقد الطاقة يعزز كفاءة عملية تحويل الطاقة ، مما يؤدي إلى تقليل توليد الحرارة المهدرة.
الحجم الصغير: يمكن أن تعمل GaN FETs على ترددات تحويل أعلى نظرًا لخصائص التبديل السريع. نتيجة لذلك ، يمكن جعل المكونات السلبية في مزود الطاقة (على سبيل المثال ، المحاثات والمكثفات) أصغر ، مما يؤدي إلى تصميم أكثر إحكاما وخفة الوزن.
كثافة طاقة أعلى: إن قدرة GaN FETs على العمل بكفاءة عند ترددات أعلى تمكن مزودات الطاقة من تحقيق كثافة طاقة أعلى. هذا أمر بالغ الأهمية في أنظمة إلكترونيات الطيران الفضائية حيث تكون قيود الحجم والوزن اعتبارات مهمة.
الموثوقية المحسّنة: تساهم خسائر الطاقة المنخفضة من GaN FETs ودرجات حرارة التشغيل في زيادة الموثوقية وطول عمر نظام إدارة الطاقة في بيئات المساحات القاسية.
تحمل الإشعاع: أظهرت GaN FETs أنها واعدة في كونها أكثر تحملاً للإشعاع مقارنة بأجهزة الطاقة التقليدية القائمة على السيليكون ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الفضائية حيث يكون التعرض للإشعاع مصدر قلق.
تحسين أداء تحويل الطاقة: يسمح أحدث جهاز تحكم PWM من Renesas وبرنامج تشغيل نصف جسر GaN بتحويل طاقة أكثر دقة وكفاءة ، مما يلبي متطلبات الطاقة الصارمة لأجهزة أشباه الموصلات المتقدمة ، مثل FPGAs و ASICs ، في أنظمة إلكترونيات الطيران الفضائية.
“تتم معالجة أحدث منتجات Renesas في منشأة معتمدة من MIL-PRF-38535 وتشير المستندات التالية إلى QCI والفحص الذي تتم معالجة GaN FETs وأحدث الحلول المتجانسة بموجبها. كما توضح الوثائق ، هناك العديد من ضوابط الجودة المعمول بها للتأكد من أن كل جزء نقوم بشحنه يفي بالمواصفات الموضحة في ورقة البيانات الخاصة بنا ، “قال برنارد.
طورت Renesas ، بالشراكة مع EPC (تحويل الطاقة الفعال) ، نظامًا بيئيًا للمنتجات حول GaN FETs المستخدمة في التصميم المرجعي. يلزم استخدام مفاتيح الحماية وأجهزة التحكم الدقيقة وبرامج التشغيل جنبًا إلى جنب مع GaN FETs لتحقيق الفوائد الكاملة لتقنية GaN حقًا.
في المهمات الفضائية ، يعد تحمل الجهد الضيق والتوصيل الدقيق للطاقة أمرًا ضروريًا للتشغيل الخالي من الأخطاء. من خلال استخدام تقنية GaN ، يمكن لمحولات الطاقة تحقيق كفاءة أعلى ، وتقليل تبديد الحرارة ، وعوامل شكل أصغر محتملة. تساهم هذه المزايا في تشغيل أكثر موثوقية وقوة في البيئات الفضائية حيث تكون الطاقة في كثير من الأحيان محدودة وتحتاج إلى الاستخدام الأمثل.
قال برنارد: “هناك طرق مختلفة لضمان التشغيل القوي ولكن المفتاح هو ضمان أن تباين المواصفات الرئيسية مثل مرجع الجهد وتعويض جهد مكبر الخطأ يقع داخل +/- 1٪”.
علاوة على ذلك ، وفقًا لـ Renesas ، من المهم توصيف GaN FETs في ظل ظروف الإشعاع الأسوأ للمساعدة في ربط سيناريوهات الحالة الطرفية لتطبيقاتها.
التصميم المرجعي
GaN عبارة عن مادة شبه موصلة اكتسبت شعبية في إلكترونيات الطاقة نظرًا لخصائصها الفريدة. توفر وحدات التحكم PWM (تعديل عرض النبض) العديد من الميزات التي تجعلها مناسبة تمامًا لتشغيل AMD Versal التكيفي SoC ، واحدة على وجه الخصوص دقة التنظيم القوية: تتميز وحدة التحكم ISL73847 PWM بدقة تنظيم استثنائية +/- 0.67٪ عبر درجة الحرارة والإشعاع والحياة. هذه الدقة ضرورية لتلبية متطلبات تحمل الجهد الصارمة لـ AMD Versal ACAP ، والتي تتطلب هامشًا ضيقًا لتقلبات الجهد.
“يتمثل التحدي الأكبر في Versal ACAP في التسامح الأولي لأسوأ حالة والتسامح مع نهاية العمر الذي يقع ضمن +/- 4٪. من أجل تلبية ذلك ، يتعين على عملائنا تصميم شيء بداخل ذلك (دعنا نقول +/- 3 ٪) للتأكد من أنهم لا ينتهكون أبدًا القيمة المطلقة. نظرًا لأن الجهد الأساسي هو 0.8 فولت ، فإن هذا البدل المئوي صغير جدًا. قال برنارد: “يحتوي ISL73847 على جميع مصادر الخطأ المصممة بعناية لضمان أن لدينا أفضل دقة تنظيمية في السوق في الوقت الحالي”.
من خلال الاستفادة من مزايا تقنية GaN ، يمكن لوحدات التحكم في PWM أن تتصدى بكفاءة للتحديات التي تطرحها تقليل الفولتية الأساسية وزيادة التيارات في FPGAs و ASICs الحديثة. إنها تتيح تصميمات مدمجة وفعالة في استهلاك الطاقة يمكنها توفير مصدر الجهد الثابت اللازم الذي تتطلبه AMD Versal SoC مع استيعاب حدود التسامح الصارمة التي وضعها التطبيق.
تساهم تقنية GaN بشكل كبير في تصغير مكونات إدارة الطاقة وضغطها ، مثل منظمات POL (نقطة التحميل) ومسلسلات الطاقة. تتميز GaN FETs بأبعاد أصغر بطبيعتها مقارنةً بـ MOSFETs السيليكون ، حيث يسمح GaN بمسافات أقصر من المصدر إلى التصريف. تُترجم هذه الخاصية إلى أحجام شرائح أصغر لأجهزة الطاقة القائمة على GaN.
علاوة على ذلك ، تتميز GaN FETs بسعة طفيلية وتحريض أقل مقارنة بنظيراتها من السيليكون. يمكن أن تتسبب هذه الطفيليات في فقد الطاقة وتحد من سرعات التحويل التي يمكن تحقيقها في أجهزة السيليكون. من خلال تقليل هذه الطفيليات ، تتيح تقنية GaN التشغيل بتردد أعلى وزيادة كثافة الطاقة في مكونات إدارة الطاقة.
“يعتبر مصدر الجهد الأساسي هو الإمداد الرئيسي الذي استخدم تقنية GaN لأنه المورد الذي يستهلك أكبر قدر من الطاقة ويحتاج إلى أن يكون الأكثر كفاءة. يمكن لخصائص أشباه الموصلات GaN FETs من الناحية النظرية أن تسمح بمسافة المصدر والتصريف لتكون أصغر بمقدار 10 مرات مقابل MOSFET السيليكونية المماثلة. في حين أن دوائر السيليكون MOSFET قريبة من حدودها النظرية ، فإن GaN FETs لديها مجال أكبر للتحسين. كل هذا يترجم إلى GaN FET أصغر بكثير مع وجود طفيليات أقل مما يسمح بتحسين كبير في SWaP ، “قال برنارد.
