Hochleistungs-POL

Die Schaltfrequenz des DC/DC-Wandlers ist von 300 kHz bis 1,5 MHz programmierbar und ermöglicht eine Optimierung der Entwicklung in Bezug auf Größe und Leistung. Das IC kann mit einem breiten Spektrum von Spannungen arbeiten, wobei der Eingangsspannungsbereich zwischen 1 V und 16 V, die Ausgangsspannung hingegen zwischen 0,5 V und 0,86 Vin liegen kann. Darüber hinaus gibt es wichtige Schutzfunktionen, zum Beispiel Pre-Bias-Startup, thermisch kompensierte Puls-zu-Puls-Strombegrenzung, Überspannungsschutz und Übertemperaturabschaltung.

Einsatz des IR389x

Der IR389x, dessen Blockschaltbild Bild 1 zeigt,

Bild 1: Blockdiagramm des IR389X.Alle Bilder: International Rectifier

kann mit einer internen Vorspannung (LDO) und damit mit nur einer einzigen Versorgung arbeiten. Die LDO-Spannung ist in Abhängigkeit von der Belastung, sie beträgt 4,4 V bei Niedriglast und 6,4 V bei mittleren und schweren Lasten. Liegt der Laststrom am Ausgang bei weniger als dem halben Spitzenstrom der Spule, beträgt die Vorspannung 4,4 V, in allen anderen Fällen steigt sie auf 6,4 V an. Diese Lösung kann zu einer Senkung der Gate-Treiberverluste bei niedrigen Belastungen führen, sie kann den Rds(on) des MOSFETs mit höherer Gate-Ansteuerspannung bei höheren Lasten reduzieren und dadurch bei allen Lastzuständen den Leitungsverlust senken sowie den Wirkungsgrad verbessern. Der IR389X kann außerdem mit einer externen Vcc-Versorgung betrieben werden, die dann am Vcc/LDO_out-Pin anliegt, außerdem muss dann der Vin-Pin mit dem Vcc/LDO_out-Pin verbunden werden.

Beherrschung kleiner Impulsbreiten

Die IR389X-Familie verbessert mithilfe von Voltage-Mode-Controllern und einem patentierten Modulationssystem die Leistung bei minimaler Impulsbreite. Bei einem Buck-Schaltregler ist die minimale Impulsbreite gleich der Einschalt-(On-)Zeit, die der Control-FET zur Regelung der Ausgangsspannung benötigt. Das Regelkonzept im Spannungsmodus mit externer Frequenzkompensation gewährleistet eine gute Störfestigkeit sowie maximale Flexibilität bei der Auswahl der Spulengröße und der Kondensatortypen. Herkömmliche Voltage-Mode-Controller sind in der minimalen Impulsbreite, die sie zur Verfügung stellen, auf einen Wert unter 150 ns begrenzt.
Das liegt daran, dass das Rampensignal erst auf die ansteigenden Flanke des PWM-Signals startet und die Spannung des Comp-Pins bei einem niedrigen Spannungspegel schneidet. Dieser Bereich ist im unteren Teil der Rampe allerdings nichtlinear. Bei dem neuen Modulationssystem startet die Rampe um 12,5% früher als die fallende Flanke des eingestellten Signals für den PWM-Impuls und schneidet die Comp-Spannung in einem lineareren Bereich der Rampe. Das trägt dazu bei, dass dieser Baustein mit schmaler Impulsbreite bei sehr hoher Frequenz ohne jeden Jitter betrieben werden kann. Bild 2

Bild 2: Jitterfreier Betrieb bei 1,5 MHz, einer Eingangsspannung von 12 V und einer Ausgangsspannung von 0,5 V bei 9A (links vergrößerte Darstellung des Impulses).

zeigt den Jitter-freien Betrieb bei 1,5MHz und einer On-Zeit unter 50 ns.

Überstromschutz

Überstrom Hiccup-Betrieb (siehe Text), (von oben Spannung CH1-LX, Ch2-Vout und Spulenstrom CH4).

Bild 4: Puls-zu-Puls Strombegrenzung für 128 Schaltzyklen (von oben Spannung Ch1-LX , Ch2-Vout , Ch3-Gate pulse und Spulenstrom Ch4). Mithilfe des MOSFETs wird für diesen Test der Ausgang für etwas mehr als 128 Schaltzyklen kurzgeschlossen, um die Pulse-b

Der Überstrom-Schutz (Bilder 3 und 4) erfolgt durch die Erfassung des durch den RDS(on) des Sync-FETs fließenden Stroms. Diese Methode verbessert den Wirkungsgrad des Wandlers und senkt die Kosten, weil kein externer Strommesswiderstand erforderlich ist. Die Strombegrenzung wird intern voreingestellt und wird entsprechend der IC-Temperatur kompensiert. Ein Überstromzustand wird erkannt, wenn der Laststrom den Schwellenwert übersteigt; anschließend geht der Konverter in die Puls-zu-Puls Strombegrenzung über.
In dieser Phase können die Einschaltimpulse des Ctrl-FET übersprungen werden und der Sync-FET kann über mehr als einen Schaltzyklus einschalten. In der Zwischenzeit fällt das maximale Tastverhältnis des Ctrl-FET in Schritten von 50%, 25% und 12,5% auf einen niedrigeren Wert ab, wenn der Überstromzustand über mehr als zwei Schaltzyklen andauert. Dieses Verfahren reduziert die Strombelastung von beiden MOSFETs. Ist nach einer Verzögerung von 128 Schaltzyklen der Überstrom nach wie vor vorhanden, wird das interne Softstart-Signal auf Low gesetzt, und auch das PGood-Signal geht auf Low.
Der Wandler geht mit einer Verzögerung von 20,48 ms in den Hiccup-Betrieb über, ehe das OCP-Signal zurückgesetzt wird und er neu startet. Im Hiccup-Betrieb schaltet der Wandler bei Überlast oder Kurzschluss kurzzeitig ab, um zyklisch immer wieder neu zu starten und die Behebung der Überlastung abzufragen. Werden Überstrom oder Kurzschluss vor Ablauf der Verzögerung von 128 Schaltzyklen beseitigt, steigt das maximale Tastverhältnis des Ctrl-FET schrittweise auf einen höheren Wert, indem es eine Folge von 12,5%, 25%, 50% und ohne Beschränkung bis zu ihrem Endwert durchläuft.
Das geschieht, wenn das OCP-Signal über mehr als vier aufeinanderfolgende Schaltzyklen auf Low bleibt. Anschließend kehrt der Wandler in den Normalbetrieb zurück. Wird der Wandlerausgang vor seinem Wiedereinschalten überlastet oder kurzgeschlossen, schränkt die Puls-zu-Puls-Strombegrenzung den Spitzenstrom weiterhin auf die gleiche Weise wie oben ein, wobei die 128-Zyklus-Verzögerung erst ab dem Zeitpunkt gezählt wird, zu dem die interne Softstart-Spannung über 1,5 V liegt.

Externe Synchronisation

Die IR389x-Familie enthält eine PLL für die Synchronisierung des internen Oszillators mit einem externen Takt. Das ist wichtig, um Subharmonische infolge von Summen-Frequenzen in Embedded-Systemen zu vermeiden wenn mehrere Point-of-Load-Schaltregler eingesetzt werden. Die Verbindung mit der externen Taktquelle erfolgt mithilfe des Mehrfunktions-Pins Rt/Sync. Steht der externe Takt zur Verfügung, ehe der Wandler einschaltet, kann der Rt/Sync-Pin mit dem externen Taktsignal verbunden werden, und es ist kein weiterer Widerstand erforderlich. Wird der externe Takt erst angelegt, wenn der Konverter schon eingeschaltet hat, oder wenn die Schaltfrequenz des Wandler zwischen der externen Taktfrequenz und der internen Freilauffrequenz hin- und herschalten muss, wird zur Einstellung der freilaufenden Frequenz ein externer Widerstand zwischen Rt/Sync-Pin und Masse benötigt. Wird hingegen ein externer Takt an den Rt/Sync-Pin angelegt, nachdem der Wandler mit seiner freilaufenden Frequenz im eingeschwungenen Zustand läuft, wird ein Übergang von der freilaufenden Frequenz auf die externe Taktfrequenz erfolgen.
Dieser Übergang soll die Ist-Frequenz schrittweise mit der externen Taktfrequenz gleichschalten, unabhängig davon, welche höher ist. Im Gegensatz dazu wird, wenn das externe Taktsignal vom Rt/Sync-Pin getrennt wird, die Schaltfrequenz ebenfalls sukzessive auf freilaufend geändert. Um Auswirkungen dieser Übergänge auf die Ausgangsspannung zu minimieren, wird das Einfügen einer Diode zwischen externem Takt und dem Rt/Sync-Pin empfohlen. In Bild 5 ist das Taktdiagramm bei externer Frequenzsynchronisierung dargestellt.

Bild 5

Bild 5_1

Bild 5_2: Externe Frequenzsynchronisation von 600 auf 700 und zurück auf 600 kHz (Bilder _1und _2 vergrößerte Darstellung). Beginnend von oben sind gezeigt Ch1-LX Spannung, Ch2-Vout, Spannung am Ch3-Rt/Sync Pin sowie Ch4-Spulenstrom.

Stabiler Betrieb

Mitkopplung ist ein wichtiges Merkmal, weil sie den Konverter und seine Lasttransienten-Verhalten stabil hält, wenn Vin sich in großem Umfang verändert. Beim IR389x wird die Mitkopplung eingeschaltet, wenn der Vin-Pin mit dem PVin-Pin verbunden wird. In diesem Fall findet der interne LDO Verwendung. Die Amplitude der PWM-Rampe wird proportional mit Vin verändert, um die Modulatorverstärkung Vin/Vramp im gesamten Vin-Bereich konstant zu halten. Dadurch bleiben auch die Bandbreite der Regelschleife und die Phasenreserve im gesamten Vin-Bereich konstant. So kann die Mitkopplung die Auswirkung einer schnellen Vin-Änderung auf die Ausgangsspannung minimieren. Die maximale Anstiegsgeschwindigkeit von Vin liegt innerhalb von 1 V/µs.

Bild 6

Bild 6

Bild 6: Spannungsänderung Vin von 7 auf 16 und zurück auf 7 V und zugehöriger Verlauf von Ch1-LX-Spannung, Ch2-Vout und Ch3-Vin (von oben).

Bild 6 zeigt, dass die Abweichung der Ausgangsspannung bei einer Änderung der Eingangsspannung von 6,8 V auf 16 V nur sehr gering ist.

Softstart und -Stop

Mithilfe der Softstop-Funktion lässt sich die Ausgangsspannung nach und nach auf Null bringen. Um diese Funktion einzuschalten, wird S_Ctrl zunächst auf Low gehalten, wenn EN auf High geht. Anschließend wird S_Ctrl auf High gezogen, um die Logikpegelschwelle von 2 V zu kreuzen. Danach wird die interne Softstart-Rampe initiiert. Deshalb folgt Vout dem internen Softstart-Rampensignal, bis sie ihren eingeschwungenen Zustand erreicht hat. Beim Softstop muss S_Ctrl auf Low gezogen werden, noch ehe EN auf Low geht. Nachdem S_Ctrl unter seinen unteren Schwellenwert abfällt, wird bei Intl_SS eine abfallende Rampe mit derselben Steigung generiert wie die der Softstart-Rampe. Die Ausgangsspannung folgt dieser Rampe und entlädt sich allmählich bis zum völligen Abschalten.

Bild 7

Bild 7: Softstart (rechts) und Softstop (links) unter Verwendung des S_Ctrl-Pins (von oben Ch1-S_Ctrl, Ch2-Vout, Ch3-Enable und Ch4-PGood).

Bild 7 zeigt das Taktdiagramm der von S_Ctrl gesteuerten Softstart- und Softstop-Funktion. Selbst wenn sich die abfallende Flanke des Enable-Signals vor der abfallenden Flanke von S_Ctrl durchsetzt, wird der Wandler dennoch durch Enable abgeschaltet. Beide Gate-Treiber werden sofort abgeschaltet, und Vout geht auf Null. Der IR389X kann unter Verwendung der Pins Vp, Vref, Enable und PowerGood vom Anwender bezüglich Tracking-und/oder Sequencing programmiert werden. Im Blockdiagramm wird der Fehlerverstärker (E/A) mit drei positiven Eingängen gezeigt. Im Idealfall wird der Eingang mit der niedrigsten Spannung zur Regelung der Ausgangsspannung verwendet. IR389X besitzt auch einen internen digitalen Softstart zur Steuerung des Anstiegs der Ausgangsspannung mit einer Rate von 0,2 mV/µs von 0 V auf 1,5 V sowie zur Begrenzung des Stoßstroms beim Hochlaufen. Die Ausgangsspannung beginnt hochzufahren und erreicht ihren Endwert, wenn die Intl_SS-Spannung von 0,15 V auf 0,65 V hochläuft. (sb)

(sb)