DC-DC-Abwärtswandler sollen immer bessere Werte für Wirkungsgrad und Leistungsdichte haben. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades von angenommen 88 auf 92 Prozent mag auf den ersten Blick nicht gravierend sein, da es ja nur ein Gewinn von 4 Prozentpunkten gegenüber dem ursprünglichen Wert ist. Dies ist jedoch eine begrenzte Sichtweise. Sicher, ein höherer Wirkungsgrad ist umweltfreundlich und reduziert die Betriebskosten für die Versorgung aus dem Netz und die notwendige Kühlung des Systems. Aus Sicht des Designs hat ein höherer Wirkungsgrad noch andere Vorteile und betrachtet man die Reduzierung der Verluste, so sinken diese von 12 auf 8 Prozent; das heißt um den bedeutenden Anteil von einem Drittel.

Auf einen Blick

Die Zero-Voltage-Switching-Topologie hat gleich mehrere Vorteile. Dazu zählen niedrige Schaltverluste bei hohen Frequenzen. Die Schaltung lässt sich bei hoher Frequenz kombiniert mit hohen Eingangsspannungen betreiben und die Einschaltzeit der Body-Diode lässt sich durch eine gute Schaltung der Gleichrichter vernachlässigen. Die interne Kompensation ermöglicht eine hohe Bandbreite und Phasenreserve.

Diese Verbesserung ermöglicht höhere Leistungsdichten und kleinere Bauformen sowie eine einfacher zu realisierende Entwärmung des Systems (Kühlkörper, Luftstrom und Anforderungen an die Umgebungstemperatur) und niedrigere Betriebstemperaturen. Das Ergebnis ist weniger Stress und damit eine längere Lebensdauer für den Abwärtswandler selbst sowie die Komponenten in dessen Nähe. Um den Wirkungsgrad zu verbessern, muss man das Augenmerk auf die Leistungsverteilung sowie die Eigenschaften der Umwandlungsstufen richten. Der Betrieb bei höheren Spannungen ist ein Schlüssel zum Optimieren des Wirkungsgrades, da sich die Leitungsverluste durch niedrigere Ströme reduzieren. Eine weitere Verbesserung bewirkt der Einsatz einer einzigen statt der oftmals verwendeten doppelten Wandlerstufe (das bedeutet von 36 direkt herunter auf 1 V statt von 36 auf 12 V und dann von 12 auf 1 V).

Um besseren Wirkungsgrad und Leistungsdichte zu erreichen, muss der nicht isolierte PoL-Abwärtswandler (Point of Load) nicht nur eine höhere Eingangsspannung und damit ein größeres Verhältnis von Vin zu Vout verarbeiten können, sondern auch über einen breiteren Eingangsspannungsbereich verfügen. Gleichzeitig ist ein Betrieb bei höheren Schaltfrequenzen erforderlich. Für konventionelle Abwärtswandler sind weite Eingangsspannungsbereiche problematisch und mit steigender Taktfrequenz erhöhen sich auch die Verluste. Um diese Hürden zu überwinden, setzten Entwickler verschiedene Topologien und Regelungstechniken ein, wie Current-Mode Control, digitale Regelung, Synchrongleichrichtung und adaptive Treiber. Zugleich kamen andere Gehäusebauformen, höhere Integrationsdichten und verschiedene Verbesserungen der MOSFET-Technologie mit niedrigeren Durchlasswiderständen. Diese Innovationen kommen jedoch alle irgendwann zum Punkt eines reduzierten Kosten-Nutzenverhältnisses.

Bild 1: Die konventionelle Topologie für Abwärtswandler hat sich seit langem bewährt, stößt aber in Bezug auf mögliche Verbesserungen an ihre Grenzen.

Bild 1: Die konventionelle Topologie für Abwärtswandler hat sich seit langem bewährt, stößt aber in Bezug auf mögliche Verbesserungen an ihre Grenzen.Vicor

Wird die Schaltfrequenz eines konventionellen Abwärtswandlers erhöht, ergeben sich drei fundamentale Probleme (Bild 1):

  • Verluste durch das harte Schalten: Bei den meisten Topologien für nicht isolierte Abwärtswandler ergeben sich hohe Verluste im MOSFET, bedingt durch des gleichzeitige Auftreten von hohen Strömen und Spannungen während der Ein- und Ausschaltvorgänge. Mit steigender Taktfrequenz und Eingangsspannung erhöhen sich diese Verluste und begrenzen dadurch die maximale Schaltfrequenz, den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte.
  • MOSFET-Gate-Treiberverluste: Auch hier erhöhen sich mit steigender Frequenz die Verluste.
  • Verluste in der Body-Diode: Durch das Ein- und Ausschalten des High-Side-MOSFETs entstehen hohe Pulsströme durch die Body-Diode des Low-Side-MOSFETs. Je länger Strom durch diese Diode fließt, umso höher sind deren Durchlass- und Reverse-Recovery-Verluste. Ebenfalls entstehen störende Überspannungen und Oszillationen.

Zusätzlich benötigt diese Topologie eine relative große Ausgangsinduktivität, was zusätzlich Kosten und einen erweiterten Platzbedarf bewirkt.

Der ZVS-Ansatz

Bild 2: Bei der ZVS-Variante wird ein zusätzlicher Klemmschalter über der Ausgangsdrossel angebracht, was etliche Vorteile im Betrieb bringt.

Bild 2: Bei der ZVS-Variante wird ein zusätzlicher Klemmschalter über der Ausgangsdrossel angebracht, was etliche Vorteile im Betrieb bringt.Vicor

Damit der Abwärtswandler auch bei höheren Frequenzen mit einem guten Wirkungsgrad arbeiten kann, müssen die Einschaltverluste des High-Side-MOSFETs deutlich gesenkt werden. Die Zero-Voltage-Switching-Topologie (ZVS, Schalten bei Nullspannung) ist ähnlich zu einem konventionellen Abwärtswandler, hat jedoch eine zusätzliche Klemmschaltung über der Ausgangsdrossel (Bild 2). Diese offensichtlich kleine Änderung ermöglicht es, die in der Induktivität der Drossel gespeicherte Energie für den Schaltvorgang zu nutzen und die Einschaltverluste zu reduzieren. Zu bemerken ist auch, dass diese Drossel kleiner ist als in einem nicht ZVS-Wandler, was einen weiteren Vorteil bedeutet.

Wenn MOSFET Q1 eingeschaltet ist, wird Energie in der Ausgangsdrossel gespeichert und der Ausgangskondensator wird geladen. Schaltet Q1 aus und Q2 ein, wird die in der Drossel gespeicherte Energie an den Ausgangskondensator und die Last abgegeben. Q2 bleibt so lange eingeschaltet, bis etwas Energie vom Ausgangskondensator zurück in die Drossel fließt wird. Ist genügend Energie gespeichert, schaltet der MOSFET aus und die Klemmschaltung wird aktiviert, wodurch die Drossel vom Ein- und Ausgang getrennt wird und gleichzeitig die Energie nahezu verlustlos als Strom weiterfließt. Während dieser sehr kurzen Zeit versorgt der Ausgangskondensator die Last. Nach Ende der Klemmphase öffnet der Klemmschalter und die gespeicherte Energie wird dazu genutzt, die Ausgangskapazität von Q1 zu entladen und die von Q2 zu laden.

Bild 3: Der direkte Vergleich der Funktionsabläufe eines Buck- zu einem ZVS-Wandler zeigt signifikante Unterschiede.

Bild 3: Der direkte Vergleich der Funktionsabläufe eines Buck- zu einem ZVS-Wandler zeigt signifikante Unterschiede.Vicor

Das Diagramm (Bild 3) zeigt den zeitlichen Ablauf. Als Ergebnis bietet diese ZVS Schaltung folgende Vorteile:

  • niedrige Schaltverluste auch bei hohen Frequenzen,
  • vernachlässigbare Einschaltzeit der Body-Diode durch nahezu ideale Schaltung der Gleichrichter,
  • Betrieb bei hoher Frequenz auch bei hohen Eingangsspannungen,
  • einfache interne Kompensation ermöglicht eine hohe Bandbreite sowie Phasenreserve,
  • kleine Ausgangsdrossel, hohe Taktfrequenz und große Bandbreite der Rückkopplungsschleife ermöglichen eine konstant schnelle Reaktion auf Transienten auch mit kleinen Kapazitäten am Ausgang,
  • 20 ns minimale Einschaltzeit ermöglicht hohe Übersetzungsraten (36:1) und
  • ein sehr guter Wirkungsgrad bei kleiner Last durch hocheffiziente Versorgung kombiniert mit dem Ausblenden von Pulsen.

Funktioniert es wirklich?

Bild 4: Bei der Picor-PI33XX-IC-Familie wurde die ZVS-Topologie in einem kleinen LGA-SiP-Gehäuse untergebracht und die Vorteile dieser Schaltung nachgewiesen.

Bild 4: Bei der Picor-PI33XX-IC-Familie wurde die ZVS-Topologie in einem kleinen LGA-SiP-Gehäuse untergebracht und die Vorteile dieser Schaltung nachgewiesen.Vicor

Bei dieser Klemmschaltung sowie der entsprechenden Schaltung bei Nullspannung handelt es sich nicht um eine Idee, deren Vorteile nur in der Simulation nachgewiesen wurden. Die DC-DC-Wandler-Familie-PI33XX mit weitem Eingangsspannungsbereich von Vicor enthält diese ZVS-Buck-Technologie. Diese nur 10 × 14 mm2 großen SiP-Buck-Regler benötigen nur eine kleine externe Induktivität und einige Keramikkondensatoren und damit insgesamt nur eine Fläche von 25 × 21,5 mm2 (Bild 4).

Diese Produkte arbeiten über einen weiten Eingangsspanungsbereich von 8 bis 36 V und liefern bis zu 120 W oder 18 A mit maximalen Wirkungsgraden von 98 %. Auch bei einem hohen und trotzdem effizienten Herabsetzen von 36 Vin auf 1 Vout kann ein PI33XX bis zu 10 A mit einem Wirkungsgrad von 85 % liefern. Bild 5 zeigt die Wirkungsgradkurven eines PI33XX bei sechs üblichen Ausgangsspannungen und einer Eingangsspannung von 36 V.

Bild 5: Die ZVS-Schaltung zeigt hohe Wirkungsgrade bei verschiedenen Lasten und über einen weiten Bereich von Übersetzungsfaktoren, hier gezeigt für eine Eingangsspannung von 36 V.

Bild 5: Die ZVS-Schaltung zeigt hohe Wirkungsgrade bei verschiedenen Lasten und über einen weiten Bereich von Übersetzungsfaktoren, hier gezeigt für eine Eingangsspannung von 36 V.Vicor

Die ZVS-Technologie ist von sich aus stabil mit einer Verstärkung der Übertragungsfunktion von -1 und einem Phasenwinkel von 90°, wodurch eine hohe Bandbreite in der Rückkoppelschleife möglich ist. Die hohe Verstärkung der geschlossenen Regelschleife und die relative kleine Ausgangsdrossel bewirken eine niedrige Ausgangsimpedanz über einen großen Frequenzbereich und damit eine schnelle Reaktion auf Transienten mit Erholzeiten im Bereich von 20 bis 30 µs. Die Vorteile der ZVS-Schaltung wurden überprüft und sind in Form dieser ZVS-Wandler erhältlich.