OptiMOS-Bausteine in PowerStage 3×3-Gehäusen

In Bild 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm für eine typische Notebook-Anwendung dargestellt. Neben der Stromversorgung für die CPU, die hohe Ströme und hohe Leistungen benötigt, sind mehrere Versorgungströme im Bereich von 5 bis 10 A erforderlich, für die PowerStage 3×3-Komponenten ideal geeignet sind. Eine typische Topologie für die Leistungsumsetzung in diesen Anwendungen ist der Buck-Konverter. Aktuelle Standard-Lösungen benötigen hierfür jeweils zwei Komponenten mit 5 mm x 6 mm (Super SO8) oder 3,3 mm x 3,3 mm (S3O8). Mit der Verwendung eines PowerStage 3×3-Produktes kann der Platzbedarf gegenüber zwei Einzelkomponenten signifikant reduziert werden. Bild 2 zeigt dazu den Platzbedarf in einem Buck-Konverter mit einem High-Side- und einen Low-Side-MOSFET im Vergleich.

PowerStage 3×3 im Detail

Das PowerStage 3×3 ist ein „leadless“ SMD-Gehäuse, das den Low-Side- und High-Side-MOSFET eines synchronen DC/DC-Wandlers in einem Gehäuse mit Abmessungen von nur 3,0 mm x 3,0 mm integriert (Bild 3). Das Gehäuse ist zudem nur 0,8 mm hoch. Auf der Unterseite des PowerStage 3×3 befinden sich zwei separate Kontaktflächen. Diese sind, in Abhängigkeit von den Chip-Abmessungen des Low-Side- und High-Side-MOSFETs, größenoptimiert. Dadurch wird eine Verringerung der Verlustleistung erreicht.

Mit den Versionen BSZ0907ND und BSZ0908ND bietet Infineon zwei unterschiedliche Produkte an. Tabelle 1 zeigt dazu die wichtigsten Spezifikationen (typische Werte bei 4,5-V-Treiberspannung). Beide Produkte werden in der 30-V-OptiMOS-Technologie realisiert. Dabei stehen Applikationen im Marktsegment Computing und Telekommunikation im Fokus.

Dank der geringen Rdson-Werte kann der BSZ0907ND Ströme bis zu 12,5 A (ohne Kühlung) treiben. Bei etwas höheren Durchlasswiderständen für den Low- und High-Side-MOSFET im BSZ0908ND kann dieser Ströme von 5 bis 10 A treiben. Abhängig von den Kühl-Bedingungen in der Applikation, können beide Produkte auch bei höheren Strömen betrieben werden. Die Durchlasswiderstände beider Produkte sind so ausgelegt, dass sie ein weites Anwendungsspektrum für Leistungsumsetzungen in vielfältigen Anwendungen adressieren, wie beispielsweise die Umsetzung von 21 V bzw. 16 V auf 1,5 V in mobilen Computern.

Die Gate-Drain-Ladung QGD des High-Side-MOSFETs wurde in beiden Produkten optimiert. Dadurch werden Schalt- und Durchlassverluste minimiert und eine Effizienzsteigerung, insbesondere für Notebooks im „low-power“-Betrieb, erreicht.

Eine geringe Gate-Ladung QG sorgt dafür, dass auch bei geringen Leistungsaufnahmen bzw. bei Systemen im Leerlauf- oder Ruhezustand eine hohe Effizienz erreicht wird. Damit kann die Batterielebensdauer verlängert werden. Der sehr geringe thermische Widerstand (55 K/W) ermöglicht eine Ausgangsleistung von bis zu 2,3 W. Die Verbindungen zwischen den Chips und den Gehäuse-Anschlüssen sind für Ströme bis zu 30 A ausgelegt, wie sie in der Spannungsregelung bei Laständerungen auftreten können.

Das PowerStage 3×3-Gehäuse ermöglicht, in Kombination mit der optimierten OptiMOS Silizium-Technologie, Produkte für DC/DC-Spannungsregler mit hoher Effizienz bei Platz-sparenden Abmessungen für Ströme bis zu 12,5 A.

Applikations-Performance

Das PowerStage 3×3 bietet nicht nur eine sehr kompakte Lösung für Halbbrücken-MOSFETs, sondern auch die Möglichkeit, das Layout des gesamten Buck-Konverters zu vereinfachen. Bild 4 zeigt ein einfaches Layout unter Verwendung von PowerStage 3×3-Komponenten. Dieses kompakte Layout benötigt lediglich 12 mm x 12 mm Leiterplatten-Fläche und wird durch die geringe Gehäusegröße und optimierte Pin-Belegung ermöglicht. Die Eingangskapazität kann zwischen dem Drain-Anschluss der High-Side- und dem Source-Anschluss der Low-Side-MOSFETs angeordnet werden. Damit werden die parasitären Effekte der Verbindungen minimiert. Die zwei Gates der Low-Side- und High-Side-MOSFETs können mit dem Treiber auf der Unterseite des Boards über Vias verbunden werden, und der Ausgangsfilter wird an der rechten Seite des Gehäuses angebracht. Somit ermöglichen PowerStage 3×3-Produkte die Realisierung von sehr effizienten und kompakten Layouts und Designs.

Effizienz-Messungen

Infineon hat verschiedene Tests durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit der neuen Produkte, insbesondere in Notebook-Anwendungen, darzustellen. Die Ergebnisse und Darstellungen können auch als Referenz für andere Applikationen verwendet werden.

Bild 5 zeigt die gemessene Effizienz in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom für zwei verschiedene Eingangsspannungen (12 V und 21 V). In einer typischen Notebook-Anwendung entsprechen 12 V dem Batteriebetrieb (drei Li-Ionen-Zellen) und 21 V der gängigen Adapter-Ausgangsspannung. In beiden Fällen liegt die Effizienz bei über 90 Prozent im Bereich von 20 bis 80 Prozent der Ausgangslast. Unter Bedingungen mit geringer Last (0,5 A) werden Effizienzwerte von mehr als 80 Prozent erreicht. Des Weiteren wurden thermische Messungen durchgeführt. Bild 6 zeigt, dass auch bei einem kontinuierlichen Strom von 12,5 A die Temperatur an der Gehäuse-Oberfläche 110 °C nicht übersteigt.

Die Messungen in Bild 7 zeigen die Drain-Source-Spannung Vds für den High-Side- und den Low-Side-MOSFET sowie die Eingangsspannung (Vin) unter folgenden Testbedingungen: Vin = 12 VFSW = 500 kHz, VOUT = 1,5 V, L = 1,2 µH (Coilcraft SER1590, DCR = 0,8 mΩ), Treiber PX3516.

Das Überschwingen (Wert der maximalen Spannung während der Oszillation über den Baustein) für den Low-Side-MOSFET beträgt 23 V und damit weniger als 80 Prozent des Vbdss-Wertes (wie im Datenblatt spezifiziert). Ein hoher Dämpfungsfaktor führt zu einem besseren Rauschverhalten und damit zu einer verbesserten EMV. Speziell in Geräten mit vielen Sende- und Logiksignalen (wie in Notebooks) ist diese geringe Störabstrahlung besonders wichtig. 

(sb)