Microchip POL-05-20S-T: convertor GaN de 20 A, tolerant la radiații, pentru FPGA-urile din sateliți

Pe 14 octombrie 2026, Microchip a lansat POL-05-20S-T, un convertor DC-DC de tip point-of-load (POL) pentru sateliți și alte sisteme spațiale. Este un convertor coborâtor (buck) sincron, cu tranzistoare de putere din nitrură de galiu (GaN). Alimentează din apropiere sarcini digitale mari, cum este tensiunea de miez a unui FPGA, a unui microcontroler sau a unui ASIC: până la 20 A, într-o capsulă de 25 g. Modulul este disponibil acum în cantități de producție. Sursa: comunicatul Microchip.

Comunicatul dă doar cifrele de bază. Detaliile sunt în fișa tehnică (DS00006591A, septembrie 2026), care este marcată încă preliminară. Articolul verifică rezumatul care circulă despre lansare, explică ce înseamnă cifrele de radiații și arată cum poți estima din fișă saltul de tensiune la o variație bruscă a curentului.

Cifrele principale

Valorile sunt tipice, din fișa tehnică, dacă nu se precizează altfel.

Verificarea afirmațiilor

Rezumatul care circulă spune: convertor buck sincron GaN pentru FPGA și ASIC din aplicații spațiale, intrare de 4,75–13,2 V, ieșire reglabilă de 0,7–5 V, curent continuu de până la 20 A, 50 krad TID, de la −55 la +100 °C.

• „Lansat pe 14 octombrie”. Confirmat.
• „Convertor buck sincron GaN pentru FPGA și ASIC”. Confirmat. Fișa adaugă controlul în mod curent și microcontrolerele printre aplicații.
• „Intrare de 4,75–13,2 V”. Confirmat. Intervalul este al pinului BIAS, care alimentează circuitele interne și poate fi legat la intrarea de putere.
• „Ieșire reglabilă de 0,7–5 V”. Parțial corect. Intervalul complet nu e disponibil la aceeași intrare. La 5 V intrare, ieșirea merge de la 0,7 la 4,2 V. La 12 V intrare, de la 1,2 la 5,0 V. Un miez de FPGA de 0,9 sau 1,0 V cere deci o magistrală de 5 V.
• „Curent continuu de până la 20 A”. Parțial corect. Puterea de ieșire este limitată la 50 W, așa că 20 A sunt disponibili doar până la 2,5 V. La 3,3 V, curentul maxim scade la 15 A, iar la 5 V, la 10 A.
• „50 krad TID”. Confirmat, cu precizarea unității: 50 krad(Si), adică doza absorbită în siliciu, testată după metoda 1019 din MIL-STD-883, cu modulul sub tensiune.
• „De la −55 la +100 °C”. Confirmat, la sarcină maximă. Parametrii electrici din tabelele fișei sunt însă specificați pentru temperaturi între −40 și +100 °C.

Rezumatul este corect în linii mari. Lipsesc limita de 50 W, care reduce curentul la tensiuni mari, și legătura dintre tensiunea de intrare și intervalul de ieșire.

Cum funcționează

Un convertor point-of-load stă lângă consumator, nu lângă sursa principală. Sistemul distribuie o tensiune mai mare, de exemplu 5 V sau 12 V, iar convertorul o coboară chiar lângă FPGA. Curentul mare parcurge astfel doar câțiva centimetri de cablaj.

POL-05-20S-T este un buck sincron: în loc de diodă, folosește un al doilea tranzistor, care conduce exact când ar conduce dioda și are pierderi mult mai mici. Cu controlul în mod curent, bucla de reglare urmărește direct curentul prin bobină. Răspunsul la variații de sarcină este mai rapid, iar bucla se stabilizează mai ușor. Ambele tranzistoare sunt GaN HEMT. La aceeași rezistență în conducție, au capacități și sarcini de poartă mai mici decât MOSFET-urile de siliciu, deci comută mai repede și cu pierderi mai mici.

Funcțiile din fișă sunt cele ale unui convertor pentru sarcini pretențioase:

• Sesizare la distanță (RS, RS_RTN): tensiunea este măsurată direct la bornele FPGA-ului, nu la ieșirea modulului. Convertorul compensează până la 0,25 V cădere pe trasee. La 20 A, asta înseamnă cel mult 12,5 mΩ pe drumul dus-întors.
• Droop: tensiunea de ieșire scade puțin când crește curentul. Pare un defect, dar e intenționat: la un salt de sarcină, tensiunea pornește deja de la o valoare mai sus, deci are mai mult loc să coboare. Fișa recomandă reglarea ieșirii la sarcină minimă, la cea mai mare valoare acceptată de consumator.
• Power good: semnalizează că ieșirea este în ±5% din valoarea reglată.
• Protecție la supratensiune și subtensiune, la 115% și 85% din tensiunea de ieșire. Modulul nu se oprește definitiv, ci încearcă repornirea până dispare defectul.
• Pornire lentă (soft start), cu o creștere a tensiunii în aproximativ 5 ms, și pin de activare.

Tensiunea de ieșire se reglează cu un rezistor între pinul ADJ și RS_RTN. Fișa dă formula:

Pentru 1,0 V, rezultă 60,8 kΩ, valoarea din tabelul fișei. Fără rezistor, ieșirea este 0,7 V.

Randament și căldură

Randamentul scade la tensiuni mici de ieșire, exact acolo unde stau miezurile de FPGA. La 1,0 V și 20 A, modulul livrează 20 W și consumă din intrare aproximativ 23,3 W la 5 V, respectiv 23,8 W la 12 V. Rămân 3,3–3,8 W de disipat în modul. Calculul este al nostru, din randamentele tipice.

În spațiu, căldura nu se poate elimina prin convecție, pentru că nu există aer. Ea trece doar prin conducție, prin cablaj și prin structura plăcii, până la un radiator. Fișa nu dă rezistența termică a modulului, deci proiectul termic trebuie validat separat. Este un calcul care se face la orice sursă în comutație, explicat în cursul Surse în comutație.

Ce înseamnă 50 krad și LET 43

Radiațiile afectează electronica în două feluri diferite, iar fișa le tratează separat.

Doza totală ionizantă (TID) este efectul cumulat în timp. Particulele care traversează componenta lasă sarcini electrice blocate în oxizi și la interfețe, iar parametrii tranzistoarelor derivă încet: tensiuni de prag, curenți de scurgere. Doza se măsoară în rad (sau gray: 1 Gy = 100 rad), raportat la materialul care absoarbe, aici siliciul. POL-05-20S-T are parametrii electrici specificați înainte și după iradierea la 50 krad(Si). Tranzistoarele GaN de putere sunt considerate în general mai tolerante la doză decât MOSFET-urile de siliciu, pentru că multe dintre ele nu au oxidul de poartă în care se acumulează sarcina.

Efectele de eveniment singular (SEE) sunt produse de o singură particulă grea, de obicei un ion din radiația cosmică. Fișa enumeră patru tipuri:

LET (linear energy transfer) măsoară câtă energie lasă un ion pe unitatea de drum prin material. Se exprimă în MeV·cm²/mg. Cu cât un dispozitiv rezistă la un LET mai mare, cu atât ionii capabili să-l afecteze sunt mai rari. POL-05-20S-T este caracterizat până la 43 MeV·cm²/mg pentru toate cele patru efecte. Fișa atribuie această capabilitate tranzistoarelor GaN.

Sufixul -T înseamnă radiation tolerant: componenta este caracterizată la radiații, nu proiectată și garantată la nivelurile mai mari ale componentelor radiation hardened, care sunt de obicei calificate la 100 krad(Si) sau mai mult. Fișa spune că o variantă rad-hard se poate cere de la fabrică. Dacă 50 krad sunt suficienți depinde de orbită, de durata misiunii și de ecranare. Răspunsul vine dintr-o analiză de radiații pentru misiunea respectivă, nu din fișă.

Tranzitorii: un calcul de verificare

Un FPGA mare își poate schimba consumul brusc, cu mulți amperi, când pornește sau oprește blocuri de logică. Convertorul trebuie să țină tensiunea de miez în toleranță în timpul acestor salturi. Fișa dă suficiente date pentru o estimare rapidă:

• frecvența de tăiere a buclei de reglare: 57 kHz, cu margine de fază de 68° și margine de câștig de 22,5 dB (la 5 V intrare, 0,7 V ieșire);
• condensatoarele de ieșire din test: 3 × 330 µF tantal, adică 990 µF;
• saltul de sarcină din test: de la 10 la 20 A, cu o pantă de 1 A/µs.

O regulă practică pentru convertoarele cu buclă de reglare stabilă spune că abaterea de tensiune la un salt de curent este aproximativ:

Cu \Delta I = 10 A, f_c = 57 kHz și C_{out} = 990 µF, rezultă \Delta V \approx 28 mV. Fișa măsoară 25 mV. Diferența mică vine din aproximare, din ESR-ul condensatoarelor și din droop, care lucrează în favoarea convertorului. Estimarea este a noastră, dar arată că cifrele din fișă sunt coerente între ele.

La 0,7 V, 25 mV înseamnă 3,6% din tensiunea de ieșire, la care se adaugă ondulația de 15 mV vârf-la-vârf. Compară suma cu toleranța din fișa FPGA-ului tău. Două lucruri fac un calcul real mai greu decât testul din fișă:

1. Panta curentului. Testul folosește 1 A/µs. Sarcinile reale se pot schimba mai repede, iar în primele microsecunde, până reacționează bucla, curentul vine din condensatoarele de lângă FPGA. Acolo contează ESR-ul și inductanța lor parazită (ESL), nu doar capacitatea.
2. Condensatoarele de ieșire. Fișa cere minim 330 µF și permite cel mult 5000 µF. Mai multă capacitate reduce abaterea, dar schimbă și dinamica buclei.

Pentru aceste situații merită un model de simulare: convertorul ca sursă cu bucla și droop-ul lui, condensatoarele cu ESR și ESL, traseele de alimentare și un profil de curent al sarcinii. Așa se modelează în SPICE o rețea de alimentare înainte de a face cablajul, cum arată cursul Simularea circuitelor electronice cu QSPICE. Pentru cât de scurte pot fi defectele pe liniile de alimentare ale unor sarcini digitale mari, vezi și articolul despre ADC-ul TI care urmărește alimentarea serverelor AI.

Ce nu spune anunțul

• Prețul. Nu e publicat. Comunicatul trimite la vânzările Microchip și la distribuitori.
• Fișa este preliminară. Revizia A, din septembrie 2026, este marcată „preliminary”. Valorile se pot schimba.
• Unele limite sunt garantate doar prin proiectare. Pragurile de subtensiune, de activare și de protecție nu sunt testate 100%, ci „asigurate prin proiectare”, conform notei din fișă.
• Rezistența termică lipsește. Fără ea, disiparea de 3–4 W la tensiunile de miez trebuie verificată prin măsurători sau simulare termică.
• Producătorul tranzistoarelor GaN nu e numit.
• Fiabilitatea este o estimare statistică. MTBF-ul de 2,13 milioane de ore este calculat după MIL-HDBK-217F, pentru zbor spațial la 35 °C. Nu este o durată de viață măsurată.

Ce merită reținut

1. Citește limita de 50 W, nu doar cifra de 20 A. Peste 2,5 V, curentul maxim scade.
2. Tensiunea de intrare decide intervalul de ieșire. Pentru miezuri sub 1,2 V ai nevoie de o magistrală de 5 V.
3. „Tolerant” nu înseamnă „rad-hard”. 50 krad(Si) și LET 43 MeV·cm²/mg trebuie comparate cu analiza de radiații a misiunii.
4. Căldura iese doar prin conducție. La 1 V și 20 A, modulul disipă 3–4 W, iar fișa nu dă rezistența termică.
5. Fișa permite o primă estimare a tranzitoriilor. Cu frecvența de tăiere și capacitatea de ieșire obții abaterea de tensiune. Pentru salturi rapide și condensatoare reale, simularea rămâne pasul următor.