Brick-Module

Bild 2: Der Wirkungsgrad des LTM4611 in Abhängigkeit des Laststroms für unterschiedliche Ein- und Ausgangsspannungen.Linear Technology

Für den Einsatz von isolierten Brick-Modulen wie dem LTM4611, ein abwärts wandelnder µModule-DC/DC-Schaltregler in einem kompakten oberflächenmontierbaren LGA-Gehäuse, auf komplexen Baugruppen mit leistungsstarken ASICs oder Prozessoren gibt es verschiedene Gründe:

• Mit nur einem 3,3-V-Bus kann die Leistungsaufnahme der Baugruppe  verbessert werden, wenn geeignete DC/C-POL-Wandler gewählt werden, um die 3,3 V weiter auf noch geringere Spannungspegel (2,5 V, 1,2 V, 1,0 V 0,9 V) zu wandeln, um damit beispielsweise DDR-Speicher, FPGA-Cores oder Transceiver zu versorgen.
• Das Versorgen aus nur einer Busleitung (3,3 V) vereinfacht das Schaltungsdesign, da damit die Anforderung für 5-V- oder 12-V-Pegel eliminiert wird, die häufig benötigt werden, um DC/DC-POL-Regler mit höherer Leistung vorzuspannen.
• Isolierte Bricks haben bei der Wandlung von 48 V auf 3,3 V ihren Wirkungsgrad verbessert – bei immer höheren Ausgangsleistungspegeln.

Die besondere Herausforderung besteht dann, wenn die Verbraucher, die nach dem 3,3-V-Bus kommen, mehr als 5 A und bis zu 12 A Strom benötigen. Obwohl diese Anforderung nur selten vorzukommen scheint, ermöglichen es Fortschritte in der FPGA-, ASIC- und Prozessortechnik den Entwicklern immer mehr von diesen Bausteinen einzusetzen, um die Leistungsfähigkeit auf kleineren Baugruppen zu steigern – was zu immer mehr Applikationen mit 10 A Laststrom führt.

Ein Anwender fragte kürzlich nach einer Lösung 30 A, Strom aus einem 1-V-Spannungspegel aus nur einem 3,3-V-Bus zu generieren. Traditionelle DC/DC-Schaltregler mit N-Kanal-MOSFETs, die eine geringe Eingangsspannung und hohe Ausgangsleistung haben, benötigen jedoch einen zweiten Regler (so genanntes House Keeping), um eine Eingangsspannung für das Versorgen der MOSFET-Gates zu liefern, die höher als die Busspannung ist – was die Komplexität des Layouts steigert sowie die Ausmaße und Kosten erhöht. Wenn keine 5 V verfügbar sind, ist das Bereitstellen eines hohen Stroms für den Verbraucher nicht besonders effizient. Die daraus resultierende hohe Verlustleistung erhöht die Sperrschichttemperatur des Reglers und der ihn umgebenden Komponenten und dient nur dazu, die zuverlässige Systemlebenszeit zu unterminieren.

Die Lösung

Der LTM4611 ist ein flacher abwärts wandelnder µModule-DC/DC-Schaltregler in einem kompakten oberflächenmontierbaren LGA-Gehäuse mit den Ausmaßen 15 mm x 5 mm x 4,32 mm. Der Schaltregler, MOSFETs, Spule und Unterstützungskomponenten sind in diesem Gehäuse integriert, so dass sich die Entwicklung darauf reduziert, einige wenige externe Komponenten auszuwählen. Der LTM4611 arbeitet mit Eingangsspannungen von 1,5 V bis 5,5 V (absolutes Maximum 6 V), was ihn für eine Vielzahl von Stromversorgungsarchitekturen eignet – besonders in der Datenspeicherung und RAID-Systemen, ATCA und Netzwerkkarten – wo eine oder mehrere gängige Busspannungen 5 V, 3,3 V, 2,8 V und/oder 2,5 V sind.

Während es unüblich ist, dass Busspannungen wegen der Verteilungsverluste (Spannungsabfälle), die mit den relativ hohen Busströmen zusammenhängen, unter 2,5 V eingesetzt werden, ist die Fähigkeit des LTM4611 die volle Leistung an seinen Verbraucher zu liefern besonders vorteilhaft in Anwendungen, in denen die Lastspannungen präzise geregelt werden müssen, selbst als kurzzeitige oder fortgesetzte elektrische Ereignisse einschließlich Leistungseinbrüche auf dem Eingangsbus. Kurzzeitige Ereignisse auf dem Systembus treten normalerweise beim Betrieb von Motoren, Transducern, Defibrillatoren oder einem Anstieg in der Aktivität des Mikroprozessors auf. Fehlerereignisse auf dem Verteilerbus eines Systems können die Busspannung einschließen lassen, die aber immer noch über 1,5 V liegt. Die Fähigkeit des LTM4611 die volle Leistung aus Eingangsspannungen von 1,5 V zu generieren, ermöglicht es, ihn für einsatzkritische Messgeräte in der Medizin und Industrie einzusetzen, die die höchsten Anforderungen bezüglich Systemverfügbarkeit und Verkraften von Leistungseinbrüchen auf dem Bus haben. Eine präzise geregelte Leistung kann vom LTM4611 selbst während so genannter „dying-gasps“ – plötzlicher unerwarteter Verlust der Systemstromversorgung – noch an den Verbraucher geliefert werden. Diese werden von Smart-Metern überwacht – wobei es sehr wünschenswert ist, in der Lage zu sein, mit der abklingenden Spannung zu arbeiten, die von Backup-Batterien und Superkondensatoren solange wie möglich geliefert wird.

Es gibt einen weiteren Vorteil bezüglich der Fähigkeit des LTM4611 mit Spannungen bis hinunter zu 1,5 V zu arbeiten: Da die Anzahl der unterschiedlichen Spannungspegel in heutigen Stromversorgungssystemen anwächst, tut dies auch die Anzahl der Kupferlagen in den Leiterplatten, die erforderlich sind, die Leistung effektiv an den Verbraucher zu verteilen. Betrachten wir dazu ein hypothetisches Beispiel: Es kann schwierig sein, einen 3,3-V-Bus mit DC/DC-Wandlern sowohl von 3,3 V auf 1,5 V und 3,3 V auf 1,2 V zu verteilen, ohne die Anzahl der Kupferlagen in der Leiterplatte zu erhöhen. Alternativ könnte ein LTM4611 die 3,3-V-Busspannung auf eine 1,5-V-Kupferlage wandeln und verteilen, während ein weiterer LTM4611 diese 1,5 V der Kupferlage effektiv auf die 1,2 V am POL regeln könnte. Die resultierenden Ausmaße der Gesamtlösung auf dem Motherboard sind ziemlich beeindruckend, weil man die Notwendigkeit eliminiert, das 3,3-V-Potenzial auf den gesamten Bereich der Leiterplatte verteilen zu müssen. Die Option, die Anzahl der Kupferlagen bei der Herstellung der verwendeten Leiterplatte zu minimieren, hat das Potenzial für Kosteneinsparungen und Materialeinsparungen.

Selbst generierte Bias-Stromversorgung

Der LTM4611 benötigt keine Hilfsspannungsversorgung, um seine internen Steuer-ICs oder MOSFET-Treiberschaltungen zu versorgen; er generiert seine eigene Low-Power-Hilfsspannung aus der Eingangsversorgung. Diese interne Bias-Spannung ermöglicht es dem Baustein mit Eingangsspannungen bis hinunter zu 1,5 V zu arbeiten – was starke Gate-Treibersignale für seine Leistungs-MOSFETs bei allen Leitungsspannungen liefert – und realisiert einen hohen Wirkungsgrad in Systemen, die 5 V, 3,3 V oder kleinere Busspannungen benutzen. Der „Muskel“ hinter dem LTM4611 ist eine Abwärtswandler-Topologie, die seine Eingangsspannung herunter wandelt, um kontinuierlich kleine Spannungen bis hinunter zu 0,8 V und mit bis zu 15 A Strom an seinen Ausgang zu liefern. Ein Spannungsabfall kleiner 0,3 V von Eingang zum Ausgang und bei 15 A Laststrom ist mit der richtigen Auswahl der Eingangsspannungsquelle (abhängig von der Dynamikcharakteristik der Quelle und dem Einschwingverhalten der Last) und dem lokalen Bypass-Kondensator erzielbar. Der LTM4611 besitzt ein Abwärtswandelschema mit fester Frequenz und einen Spitzenstrommodus, das standardmäßig bei 500 kHz arbeitet. Die Schaltfrequenz kann mit Widerstands-Pin-Stripping zwischen empfohlenen Werten von 330 kHz bis 780 kHz eingestellt oder zwischen 360 kHz und 710 kHz mit einem Taktsignal synchronisiert werden.

Stromaufteilung für 60 A und darüber

Das Aufteilen des Stroms auf bis zu vier Module wird für Lösungen mit bis zu 60 A Ausgangsstrom unterstützt. Mehrere Module können für noch höhere Ausgangsströme parallel geschaltet werden. Der Stromsteuermodus macht das Aufsummieren von Modulen besonders zuverlässig und einfach zu implementieren und stellt das Aufteilen des Stroms von Modul zu Modul während des Einschaltens, bei kurzfristigen Ereignissen sowie im kontinuierlichen Betrieb, sicher.

Dies steht im Gegensatz zu vielen anderen Modulen, die im Spannungsmodus arbeiten, die dieses Aufteilen des Stroms dadurch erreichen, dass sie entweder eine Master-Slave-Konfiguration benutzen, oder das „droop-sharing“ (auch „load-line sharing“ genannt) einsetzen. Master-Slave-Konfigurationen sind ungeschützt bei ärgerlichem Auslösen der Überstromschutzfunktion während des Hochfahrens und kurzzeitigen Lastbedingungen. Das droop-sharing resultiert in Kompromissen bei der Lastregelungsspezifikationen während es eine nur schlechte Versicherung für einen guten Stromabgleich von Modul zu Modul während kurzfristiger Lastschritte bietet.

Einfache POL-Applikation

Das Blockdiagramm in Bild 1 zeigt den LM4611, der an einer Eingangsspannung von 1,8 V bis 5,5 V arbeitet und einen 1,5 V Ausgang mit bis zu 15 A generiert. Die Ausgangsspannung ist mit einem einzigen Widerstand von VFB nach GND programmiert. Der Regelkreis treibt den Leistungs-MOSFET und die Ausgangsspannung so, dass VFB gleich zu weniger als 0,8 V oder der Spannung am TRACK/SS-Pin ist. Ein Soft-Start-Kondensator, CSS, am TRACK/SS-Pin programmiert die Start-up-Rate des Ausgangs des LTM4611 wenn der RUN-Pin des Moduls 1,22 V überschreitet (±10 %). CSS sichert ein Einschalten mit einer monotonischen Form der Ausgangsspannung und unterstützt sanftes Einschalten bei Ausgangsspannungen mit vorher eingestellter Vorspannung. Ein Widerstandsteiler von einer anderen Busspannung kann an den TRACK/SS-Pin angelegt werden, um koinzidentes oder radiometrisches Tracking des Ausgangsspannungspegels des LTM4611 mit dem Referenzpegel zu programmieren. Dies ist eine nützliche Funktion, wenn man digitale Bausteine mit strengen Anforderungen an das Pegel-Tracking während des Ein- und Ausschaltens des Systems versorgt.

Fernmessung für eine exakte POL-Regelung

Routinemäßig benötigen Niederspannungs-Hochstrom-Bausteine wie FPGAs, ASICs und Mikroprozessoren extrem genaue Spannungen mit ±3% der nominalen VOUT (oder besser) die exakt an den POL-Anschlüssen (z.B. VDD- und DGND-Pins) geregelt werden. Um diese Anforderung an die Regelung zu erfüllen, wobei dies am härtesten ist bei kleinen Ausgangsspannungen (≤3,7 V) – bietet der LTM4611 einen Buffer mit Verstärkungsfaktor 1 für die Fernmessung der Ausgangsspannung an den Lastanschlüssen.

Spannungsabfälle zwischen den VOUT- und Kupferlagen in der Leiterplatte sind ein unvermeidbares Ergebnis der Aufteilung der resistiven Verluste physikalisch zwischen dem Modul und der Last. Wie in Bild 1 gezeigt, wird das differenzielle Rückkoppelsignal über dem POL (VOSNS+ minus VOSNS−) an DIFF_ VOUT in Beziehung zur lokalen Masse des Moduls, SGND, rekonstruiert, was es dem Regelkreis erlaubt, jeden Spannungsabfall im Stromversorgungspfad zwischen den Ausgangspins des Moduls und dem POL-Baustein zu kompensieren.

Wie „grün“ ist Ihre Maschine?

Der Baustein LTM4611 hat einen sehr hohen Wirkungsgrad auf einer kleinen Lötfläche (von nur 15 mm x 15 mm) und ein kleines Volumen (von nur 4,32 mm Höhe – belegt nur einen Kubikzentimeter) in einem thermisch verbesserten LGA-Gehäuse. Bild 2 zeigt seinen Wirkungsgrad für unterschiedliche Kombinationen von Eingangsspannungen und Ausgangsspannungen. Neben dem hohen Wirkungsgrad ist die Hüllkurve der Verlustleistung des Bausteins LTM4611 für eine gegebene Eingangsspannung und Lastbedingung relativ flach, was das thermische Design vereinfacht und die Wiederverwendung des Brick-Moduls in Folgeprodukten vereinfacht. Der LTM4611 unterstützt den Betrieb im Pulse-Skip- und Burst-Modus, was einen signifikant höheren Wirkungsgrad bei geringeren Lastströmen (< 3 A) ermöglicht, als dies der erzwungene kontinuierliche Betrieb offerieren kann.

Thermisch verbessertes Gehäuse

Das Land Grid Array-Gehäuse des Bausteins ermöglicht es Wärme sowohl vom Boden als auch von der Oberseite abzuführen, was den Einsatz eines Metallchassis oder eines BGA-Kühlkörpers vereinfacht. Dieses Bauteile-Format fördert eine exzellente Wärmeabfuhr mit oder ohne Luftstrom oder Zwangsbelüftung. Bild 3 zeigt eine Infrarotaufnahme der Oberfläche des LTM4611 und zeigt eine Verlustleistung von 3,5 W ohne Luftstrom, getestet im Prüflabor, bei der Umwandelung einer 5-V-Eingangsspannung auf 1,5-V-Ausgangsspannung mit 15-A-Ausgangsstrom. Die heißeste gemessene Oberflächentemperatur beträgt rund 65 °C.

(sb)