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Blockschaltbild einer Intermediate-Bus-Architecture
Schaltplan der Stromversorgung für den Multicore-ASIC für 0,7 bis 0,9 V bei 6 A.
Wirkungsgradmessung des Multicore-Asic-PoL-Wandlers bei einer Ausgangsspannung von 0,8 V für den minimalen und maximalen Intermediate-Bus-Spannungs-Wert.
Bode-Diagramm des I/O-Modules mit 3,3 V Ausgangsspannung bei 16 A Last und 14 V Eingangsspannung. 2 Grad Phasenreserve, 100 kHz Regelbandbreite.
Wärmebild der Multicore-Asic-PoL-Platine bei 14 V Eingangsspannung und 0,7 V/6 A am Ausgang. Die Höchsttemperatur liegt bei 44,1 Grad Celsius.

Um die erheblichen Verteilungsverluste in Telekommunikations- und Datenkommunikationsarchitekturen zu verringern, die aufgrund des auf dem Intermediate-Bus fließenden hohen Stroms auftreten, wurde die IBS kürzlich von den üblichen 3,3 und 5 Volt auf bis zu 15 Volt erhöht. Auch wenn durch eine höhere IBS deutliche Vorteile für den Wirkungsgrad des isolierten -48-Volt-DC/DC-Wandlers entstehen, insbesondere bei einer nicht geregelten Bus-Spannung, steigen dadurch natürlich die Anforderungen an die nachfolgenden PoL-Wandler erheblich. Der Wirkungsgrad der Bausteine nimmt ab einer gewissen Bus-Spannung deutlich ab, da das Tastverhältnis sehr klein wird. Aus diesem Grund muss der Entwickler sicherstellen, dass der erreichte Gesamtwirkungsgrad der beiden Spannungswandler tatsächlich höher als zuvor ist. Wie das geht? Texas Instruments hat dazu eine Analyse, den Entwurf eines vollständigen Schaltplans und die Zusammenstellung von Stücklisten zusammen mit Prototypen der drei PoL-Wandler realisiert. Diese dienen zur Unterstützung bestimmter Hardware-Entwicklungen, die die Folgen der höheren Bus-Spannung bewältigen müssen.

PoL-Wandler spezifizieren

Ausgangspunkt der Analyse waren die ursprünglichen Spezifikationen der Stromversorgung, die in einer Intermediate-Bus-Architektur mit einem nicht geregelten Spannungsbereich zwischen 7 und 14 Volt bestehen. Diese führt letztendlich zu einer Vereinfachung der Wandlung auf 24 Volt für die Antennenversorgung, wie Bild 1 verdeutlicht. Hier ist die IBS einer herkömmlichen Architektur zu sehen. In der Abbildung variieren die Werte für den Wirkungsgrad des isolierten DC/DC-Bus-Wandlers in Abhängigkeit der Bus-Spannung zwischen 92 und 95 Prozent. Die vom Intermediate-Bus bereitgestellte Leistung beträgt 280 Watt, wovon den PoL-Wandlern 100 Watt zur Verfügung stehen.

  • In dieser Anwendung kommen die folgenden Haupt-PoL-Wandler zum Einsatz: 0,7 bis 0,9 Volt (VID) bei 6 Ampere (Multicore-ASIC)
  • 6,3 Volt bei 4 Ampere (rauscharmer HF-Verstärker)
  • 3,3 Volt bei 16 Ampere (I/O-Modul)

Auf einen Blick

Die Erhöhung der Intermediate-Bus-Spannung auf bis zu 15 Volt sorgt für erheblich weniger Verteilungsverluste in Telekommunikations- und Daten-kommunikationsarchitekturen. Das heißt, dass sich der Wirkungsgrad des isolierten -48-Volt-DC/DC-Wandlers erheblich verbessert. Des einen Freund ist jedoch des anderen Leid – nämlich des Wirkungsgrads der nachfolgenden PoL-Wandler. Eine Herausforderung, der sich TI erfolgreich stellte.

Insbesondere die erste Wandlung zeigt recht schnell die Herausforderung, die entsteht, wenn bei der Versorgung durch eine Bus-Spannung von maximal 14 Volt eine niedrige Ausgangsspannung erzeugt werden soll. Der ASIC verwendet den Voltage-Identification-Code von TI, um den Stromverbrauch zu senken. Das Tastverhältnis beträgt unter diesen Bedingungen 5 Prozent, wobei die interne Totzeit sowie die minimale Einschaltzeit der PWM möglicherweise ein Problem darstellen können. Die zweite Herausforderung – ebenfalls aufgrund der extremen Betriebsbedingungen: der Wirkungsgrad, insbesondere für die Versorgung des Multicore-ASICs sowie des I/O-Moduls.


Den optimalen PWM-Controller finden

Die PWM-Controller TPS4030x von Texas Instruments eignen sich für diese kritischen Anwendungen, weil sie alle erforderlichen Funktionen zur Bewältigung dieser Herausforderungen bereitstellen. Das Bauteil ist für 20, maximal 27 Volt, am Vermittlungsknoten ausgelegt und hat somit genügend Reserve für 14 Volt Eingangsspannung. Der Baustein verfügt über Feedforward-Kompensation, was in nicht geregelten Intermediate-Bus-Architekturen (IBA) nützlich ist, um schnell auf wechselnde Eingangsspannungen zu reagieren.

Der PWM-Controller weist Einschaltzeiten von bis zu 40 Nanosekunden bei 600 Kilohertz auf. Die minimalen Tastverhältnisse schwanken deshalb abhängig von der Schaltfrequenz: 2,7 bis 3,3 Prozent bei 300 Kilohertz, 5,4 bis 6,6 Prozent bei 600 Kilohertz und 10,2 bis 13,8 Prozent bei 1,2 Megahertz. Eine Stromquelle mit maixmal 5 Prozent Toleranz am LDRV-Pin sorgt für eine sichere und genaue Überstromerkennung. Dank eines Temperaturkoeffizienten von 3000 Parts per Million über den kompletten Temperaturbereich des Controllers bleibt die Überstromerkennung nahezu temperaturunabhängig. Die Anwendung benötigt eine hohe Schaltfrequenz, um Maße und Kosten zu reduzieren, allerdings immer unter Berücksichtigung des benötigten minimalen Tastverhältnisses. Folgende Lösungen hat TI speziell für diese Anwendung beim Design der Referenzschaltung berücksichtigt:

  • Nach Möglichkeit kommen nur Keramikkondensatoren am Ausgang zum Einsatz, insbesondere für 0,7 Volt, um einen niedrigen Spannungsripple zu erzielen.
  • Maximal 3 Prozent Abweichung der Ausgangsspannung bei einem Lastsprung von +/- 50 Prozent (von Volllast ausgehend) lassen sich tolerieren.
  • Implementierung eines dynamisches Voltage-Identification-Code-Interfaces (VID), um die Ausgangsspannung zwischen 0,7 und 0,9 Volt im Betrieb zu ändern. Dank der hohen Bandbreite des Fehlerverstärkers (20 MHz) im TPS4030x und der daraus resultierenden kleinen Ausgangskapazität, lassen sich die hohen dynamischen Spezifikationen problemlos erfüllen.

Darüber hinaus verfügt der TPS4030x über leistungsstarke Ausgangstreiber, die Schaltverluste reduzieren und den Wirkungsgrad besonders bei hohen Ausgangsströmen verbessern.

Die passenden Nex-FETs auswählen

Anschließend hat der Hersteller die Verluste der drei Wandler berechnet, die für zwei unterschiedliche Schaltfrequenzen entworfen werden sollten. Diese Berechnungen dienen dazu, die Abweichungen beim Wirkungsgrad der drei PoL-Konverter für verschiedene Nex-FETs – Texas Instruments Mosfet-Technologie für niedrige Kapazitäten, hohe Schaltfrequenz und hohe Leistungsdichte – an unterschiedlichen Bus-Spannungen zu bewerten.
Der Wirkungsgrad der drei Wandler ließ sich mit einer Excel-Tabelle für verschiedene Kombinationen von Nex-FETs und für diverse IBS-Werte berechnen. Dabei mussten die Entwickler zwei Schaltfrequenzen (TPS40303/TPS304: 300/600 Kilohertz), einschließlich der Verluste in den passiven Komponenten berücksichtigen (verwendete Induktivitäten: MSS1048-222NLC für 1 Volt bei 6 Ampere), IHLP5050FDEC1R05M01 für 3,3 Volt bei 16 Ampere, MSS1260-682MLD für 6,3 Volt bei 4 Ampere).
Die Schlussfolgerungen daraus führten zu der Entscheidung, unterschiedliche Schaltfrequenzen für die drei Wandler zu verwenden:

  • 0,7 bis 0,9 Volt (VID) bei 6 Ampere, fs = 300 Kilohertz (TPS­40303), PMP4709 (Schaltplan in Bild 2)
  • 6,3 Volt bei 4 Ampere, fs = 600 Kilohertz (TPS40306), PMP4711
  • 3,3 Volt bei 16 Ampere, fs = 600 Kilohertz (TPS40306), PMP4713

Folgende Nex-FETs sollten zum Einsatz kommen: High-Side: CSD­16409Q3 wegen der besten Gesamtleistung (etwa 60 Milliwatt Verluste, nahezu unabhängig von der Eingangsspannung). Low-Side: CSD16323Q3 wegen ähnlicher Leistung wie CSD16340Q3, jedoch besserer Preis (237 bis 287 Milliwatt Verluste, von 7 bis 14 Volt Eingangsspannung).

Hohe Flexibilität gewährleisten

Der PWM-Controller und die Mosfets ergeben gemeinsam eine kompakte Größe von 27 Millimeter. Aus diesem Grund kamen Nex-FETs für diese Applikation zum Einsatz, auf die die Kriterien kleines Gehäuse und mittlere Performance zutrafen. Selbstverständlich können sich die Kriterien von Anwendung zu Anwendung ändern. Dabei sind in der Regel Aspekte, wie Leistungsdichte, Wirkungsgrad, Wärmemanagement und Kosten zu beachten, um den besten Kompromiss für die spezifischen Ziele des jeweiligen Designs zu erzielen.
Um die größtmögliche Flexibilität auf den entworfenen Leiterplatten zu erreichen, können diese Nex-FETs unterschiedlicher Bauform aufnehmen. Hier passen sowohl Nex-FETs im SON­5X6mm-Gehäuse (kompatibel zu Power-PAK SO-8) als auch im SON3X3mm-Gehäuse. Somit können für jede spezifische Anwendung unterschiedliche Nex-FETs unter Einhaltung des erforderlichen Kompromisses zwischen Leistung und Kosten getestet werden. Wie bereits erwähnt, dient diese Art von Platine als De­signhilfe für den ersten IC-Testlauf in einer spezifischen Applika­tion. Dabei handelt es sich um den typischen Support in Hinsicht auf Schaltplan, Leiterplattenlayout und Prototyp. Auf diese Weise hat TI eine universelle Demo-Platine für den TPS4030x-PWM-Controller entwickelt, die auch für andere Projekte geeignet ist, um unterschiedliche Nex-FETs unter der Berücksichtigung von Leistung und Kosten zu vergleichen.

Messungen an den PoL-Wandlern durchführen

Die Wirkungsgradmessung für einen der drei Wandler lassen sich in Bild 3 ablesen. TI hat den Wandler hinsichtlich der minimalen und maximalen IBS für den Multicore-ASIC mit 0,7 bis 0,9 Volt (VID) bei 6 Ampere getestet. Das Bode-Diagramm der Regelschleife ist in Bild 4 dargestellt. Diese zeigt die hohe Regelbandbreite von ungefähr 100 Kilohertz, die sich aufgrund der dynamischen Eigenschaften des TPS4030x erzielen ließ. In Bild 5 weist das Wärmebild der Platine eine Höchsttemperatur von 44,1 Grad Celsius auf, wobei die Temperaturen der Induktivität und der High-Side- sowie Low-Side-FETs fast gleich sind. 

Die Autoren: Pietro Scalia, EMEA Design Services Engineer und Matthias Ulmann, EMEA Power Marketing Manager für den Bereich Telekommunikation, TI in Freising.