Bildergalerie
Bild 1: Die unterschiedlichen Power-Management-Regelungsverfahren im Vergleich.
Bild 2: Wirkungsgrad, abhängig von Last und Ausgangsspannung (links unten).
Bild 3: Einschwingverhalten bei Übergang vom Power-Safe- auf den Lastmodus (links oben).
Bild 4: Einschwingverhalten vom Last- in den Power-Safe-Modus (rechts oben).
Bild 5: Beispiel für „normale“ FET-Schaltvorgänge.
Bild 6: FET-Schaltvorgänge mit Smart-Drive.
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Semtech Germany

Die Power-Management-ICs der Eco-Speed-Familie basieren auf der AOT-Technologie (Adaptive On Time) von Semtech, die zunächst in Notebooks und Industrie-PCs eingesetzt wurden und mit der man dort sehr gute Erfolge erzielt hat. Die schnelle Ausregelung von Transienten und der hohe Wirkungsgrad über einen weiten Eingangsspannungs- und Lastbereich sind die besonderen Eigenschaften dieser Technologie. Das Adaptive-On-Time-Regelverfahren ist eine Weiterentwicklung des COT-Prinzips (Constant On Time). Mit AOT hat Semtech eine Technik entwickelt, die ähnlich wie die digitale Regelung eine stabile Regelung über einen weiten Eingangsspannungsbereich und einen weiten Ausgangslastbereich bietet. Diese Eigenschaft ist bei COT und AOT grundsätzlich gegeben, da das Regelglied nicht auf Verstärkern sondern auf Komparatoren basiert. Durch den Einsatz der Komparatoren ist zum einen die Regelzeit um Faktor 4 bis 5 schneller und man benötigt keine Kompensation, wie sie bei Reglern mit Spannungs- und Stromregelverfahren nötig sind. Somit fallen bei COT und AOT die Kompensationsberechnungen zweiter oder erster Ordnung weg.

Vorteile der Adaptive On Time-Technik

Der Vorteil von AOT gegenüber COT ist, dass die Frequenzschwankungen auf typisch ±15 % reduziert wurden, somit ist die Frequenzabweichung mit der von über Strom und Spannung geregelten Schaltreglern vergleichbar. Bei AOT wird die Einschaltzeit (Adaptive On Time) des oberen FETs über einen externen Widerstand und ein integriertes Zeitglied fest eingestellt, die Ausschaltzeit ist somit nur noch vom Laststrom abhängig. Das gesamte Design wird für eine nominale Last ausgelegt. Ändert sich das Lastmoment, so ändert sich auch kurzzeitig die Schaltfrequenz. Durch diese lastabhängige Frequenzänderung ist der Regler in der Lage, Transienten sehr schnell zu regeln und aus diesem Grund reduzieren sich die Ausgangskapazitäten und die Gesamtkosten der Schaltung sind geringer.

Erwartungen erfüllen

Die Power-Managment-ICs der Baureihe Eco Speed erfüllen die  Erwartungen des Anwenders bezüglich Flexibilität und Konfigurierbarkeit. Alle wichtigen Parameter sind extern einstellbar und die Bausteine mit integrierten FETs sind in vier unterschiedlichen Leistungsklassen bis 10 A abgestuft. Für größere Lastströme ist der Controller auch ohne FETs erhältlich.

Der zweite Vorteil von AOT ist der automatische Power-Safe-Modus. Die Ausschaltzeit ist lastabhängig und bewirkt eine proportionale Änderung der Schaltfrequenz. Mit kleiner werdender Last wird auch die Frequenz kleiner, somit werden automatisch die Schaltverluste kleiner und der Wirkungsgrad steigt. Das AOT-Regelverfahren erreicht auch bei kleinen Lasten einen relativ hohen Wirkungsgrad.

Ähnliche Wirkungsgrade werden auch bei höheren Taktfrequenzen erreicht. An der Kurve in Bild 2 kann man auch sehr schön erkennen, dass die Eco-Speed-Familie – hier am Beispiel des SC417 – auch bei großem Umsetzungsverhältnis (mehr als 10) Wirkungsgrade zwischen 85 % und 90 % erreicht. Natürlich kann man auch den Wirkungsgrad durch gezielte Auswahl der externen Komponenten noch weiter optimieren.

Der Ultrasonic Power Safe Mode begrenzt die untere Frequenz auf 25 kHz und vermeidet, dass die Schaltimpulse im hörbaren Bereich liegen. Es gibt aber auch Bausteine, bei denen die untere Frequenzbegrenzung vom Anwender individuell einstellbar ist (Bilder 3 und 4).

Virtueller ESR

Ähnlich wie bei Reglern mit Hysterese- oder Ripple-Modus, wird die Ausgangsspannung über die Spannungsschwankung am Ausgang gemessen. Da bei AOT die On-Time (Einschaltzeit des oberen FETs) vorgewählt ist, werden nur die negativen Werte der Welligkeit der nominalen Ausgangsspannung geregelt. COT- und AOT-Regler sind quasi halbe Hysterese-Modus-Regler. Die Welligkeit entsteht im Wesentlichen durch den ESR (serieller Ersatzwiderstand) der Ausgangskapazitäten. Somit kann man bei dieser Technologie die gewünschte Welligkeit der Ausgangsspannung auswählen. Nun fragt man sich berechtigter Weise, was passiert beim Einsatz von keramischen Kondensatoren, die von Haus aus einen kleinen ESR haben. Schaltet man mehrere davon parallel, dann wird der ESR nochmals kleiner. Semtech hat hierfür den so genannten „virtuellen ESR“ entwickelt, eine einfache Methode, um den sicheren Einsatz von keramischen Kondensatoren zu gewährleisten.

Smart-Drive-Funktion

Zusätzlich haben Eco-Speed-Bausteine die Smart-Drive-Funktion integriert. Sie unterdrückt Störungen, die durch das schnelle Einschalten der FETs auftreten (Bilder 5 und 6). Häufig werden solche Effekte durch Gate-Widerstände oder durch so genannte Snapper (Filterschaltung zwischen Phase und Masse) gedämpft. Diese schaltungstechnischen Lösungen sind in der Regel mit höheren Verlusten behaftet. Smart-Drive gibt eine langsam ansteigende Gate-Spannung solange vor, bis ein definierter Spannungspegel an der Phase anliegt, dann wird die volle Gate-Spannung angelegt. Damit hat man quasi ein gedämpftes Schalten des FETs ohne große Verluste einzufahren.

Die Eigenschaften von Smart-Drive sind für das gesamte System von Bedeutung. Im System werden dadurch die elektromagnetischen Abstrahlungen reduziert.

14 Bausteine

Die Eco-Speed-Familie umfasst derzeit 14 Bausteine, die man in unterschiedliche Kategorien einteilen kann (siehe Bild auf der ersten Seite). Einmal gibt es Bausteine für reine 5-V-Applikationen, das sind die SC17x-Regler, die es mit verschiedenen Stromstärken von 1 bis 4 A gibt. Dann die Varianten von 3 bis 24 V bzw. 28 V und Strömen von 3 A bis 10 A, die durch die Regler SC403 bis 417 bzw. SC424/427 abgedeckt werden.

Für größere Leistungen stehen die Controller SC418/19/93, die mit externen FETs arbeiten und somit die höchste Flexibilität bieten, zur Verfügung. Mit diesen Controllern kann man sehr viel höhere Ströme abdecken, dabei aber auch die besten Wirkungsgrade erreichen.

Der SC493 ist dabei eine Besonderheit, da dieser Baustein über I2C programmiert und überwacht werden kann. Dabei war es Semtech wichtig, dass die Regelung nach wie vor analog ist, man aber die Eigenschaften wie Ausgangsspannung, Strombegrenzung, Anlaufverzögerung und Anlaufverhalten digital einstellen kann. Zusätzlich kann das System den Status des Bausteins abfragen, zum Beispiel ob er in Regelung ist oder nicht, ob es Störungen, wie Überstrom oder zu niedrige Eingangsspannung gibt, oder wie hoch die Betriebstemperatur ist.

Ausblick

Diese quasi „kombinierte“ Analog-Digital-Technologie liegt bei Semtech im Fokus und es werden in nächster Zeit weitere Produkte hinzukommen. Der Anwender kann hier auf ein Produktspektrum zugreifen, das für viele verschiedene Applikationen einsetzbar ist und immer auf der gleichen Technologie basiert, die den neuesten Anforderungen entspricht und das Power-Management-Design wesentlich vereinfacht. Natürlich gibt es von Semtech auch eine umfangreiche Unterstützung beim Design. Angefangen beim Online-Design-Tool CSIM, mit dem man einen ersten Schaltplan erstellen und das prinzipielle Verhalten simulieren kann. Des Weiteren gibt es verschiedene Anwendungsbeispiele zu denen Schaltpläne, Testprotokolle und die BOM sowie Evaluation-Boards gehören, mit denen man die Bauteile in einer realen Umgebung testen kann.