DC/DC-Abwärtswandler mit hohem Wirkungsgrad im gesamten Strombereich

Der NDM3ZS-60 ist ein DC/DC-Konverter der Serie Novum Digital POL von CUI.CUI

Ein Point-of-Load-Wandler (POL) ist ein DC/DC-Abwärtswandler, der an einer Last eine konstante Spannung bereitstellt, die (fast) unabhängig vom Laststrom ist. Ihr Einsatz steigt rasant, denn FPGAs, ASICs und andere Bausteine mit hochleistungsfähigen Rechenkernen müssen mit immer höheren Strömen bei sinkenden Spannungen versorgt werden. Dabei emfpiehlt es sich, den Wandler räumlich nahe an den Verbraucher zu setzen.

Eine höhere Taktfrequenz zur Anhebung der Prozessorgeschwindigkeit führt zu einem proportional ansteigenden Strombedarf, wodurch Leistungsverluste quadratisch zunehmen. Um letztere niedrig zu halten, senken die Entwickler die Versorgungspannung. Das führt im Trend zu immer kleineren Core-Spannungen und im Gegenzug zur Zunahme der Stromkapazität von POL-Wandlern, während die Leistungskapazität gleich bleibt.

Kurze Leitungen

Müssen niedrige Spannungen und hohe Ströme auf einer Leiterplatte geroutet werden, wirkt sich das negativ auf die Stromversorgungsschaltkreise aus. Große Spannungsabfälle, ein höherer Stromverbrauch und breite PCB-Leiterbahnen sind ineffizient und führen schnell zu einer schlechten Ausgangsregelung.

Ist der POL-Wandler in der Nähe der Last platziert, lassen sich lange Leitungen zwischen der Stromversorgung und der Last verhindern, wie es in herkömmlichen Versorgungssystemen der Fall ist. Dies ermöglicht eine genaue Spannungsversorgung bei gleichzeitiger Einhaltung der Anforderungen hinsichtlich einer niedrigen Spannung und eines hohen Stroms. Bei der Anordnung des Wandlers in der Nähe der Last verringern sich sowohl Wirkleistungsverluste (durch den ohmschen Anteil der Leitungen bedingte Wärmeentwicklung) als auch Blindleistungsverluste (magnetisches Streufeld um die Leiterbahnen und Umladung der Leitungsinduktivitäten), was letztlich die Dynamik und die Störaussendung (EMI, Electromagnetic Interference) verbessert.

Diese Systeme benötigen also hohe Ströme bei verschiedenen niedrigen Versorgungsspannungen. Sie weisen zudem hohe Anforderungen an eine genaue Regelung auf – mit hohen, schnell-dynamischen Strömen.

Einschränkungen bei bestehenden POL-Topologien

Die gängigste Topologie bei POL-Wandlern ist der synchrone Abwärtswandler. Dieser ersetzt eine Diode mit einem Low-Side-MOSFET, was Leistungsverluste verringert und den Wandlungswirkungsgrad im Vergleich zu einem Abwärtswandler optimiert. Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines synchronen Abwärtswandlers.

Bild 1: Blockschaltbild eines synchronen Abwärtswandlers.publitek.com

Der synchrone Abwärtswandler erfordert jedoch komplexere Treiberschaltkreise zum Steuern beider MOSFET-Schalter. Zudem muss sichergestellt sein, dass beide MOSFETs nicht gleichzeitig eingeschaltet sind, was einen Kurzschluss zwischen V_in und Masse verursachen und zu einem Ausfall führen würde. Dieser Kurzschluss wird auch Kreuzleitung oder Shoot Through genannt.

Ein MOSFET anstelle der Diode verringert Leitungsverluste und erlaubt einen Spulenstromfluss in beide Richtungen. Der synchrone Abwärtswandler verbleibt dabei im Continuous-Conduction-Modus (CCM), im Gegensatz zum Discontinuous-Conduction-Modus (DCM) eines herkömmlichen Abwärtswandlers bei geringer Last. Während ein synchroner Abwärtswandler einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Ausgangsströmen erzielt, ist er bei geringen Ausgangsleistungen alles andere als effizient.

Ein besserer Gesamtwirkungsgrad sowohl bei geringer Last als auch bei hohen Ausgangsströmen ist daher weiterhin eine Herausforderung künftiger Stromversorgungssysteme.

Hohe Regelungsdynamik

Derzeitige Topologien stoßen an ihre Grenzen, wenn sie einen hohen dynamischen Strom bei einer genau geregelten Spannung bereitstellen sollen. Beim Einsatz von Abwärtswandlern ist dies ein erhebliches Problem, da bei großen Lasttransienten hohe Ausgangsspannungsänderungen auftreten.

Der Spulenstrom ist nicht imstande, sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Laststrom zu ändern. Der Ausgangskondensator stellt daher während dieser Lasttransienten den erforderlichen Strom für die Last zur Verfügung. Die Ausgangsspannung weicht dabei von ihrer beabsichtigten Nennspannung ab, da sich der Kondensator entlädt. Umgekehrt führt eine schnelle Abwärts-Lasttransiente zu einer erhöhten Spannung, die aufgrund der Kondensator-Aufladung entsteht.

Der Controller kann nicht ausreichend schnell reagieren, um den Steuerschalter zu aktivieren und den Laststromschritt einzuleiten. Der Grund ist der Synchronbetrieb bei konstanter Frequenz. Der Controller muss auf den nächsten Takt warten, bevor der Schalter erneut aktiviert werden kann. Die endliche Bandbreite des linearen Kompensators – die einen Bruchteil der Schaltfrequenz beträgt, um Systemstabilität zu bewahren – verhindert, dass die Steuerspannung mit ausreichender Geschwindigkeit ansteigt. Diese beiden Faktoren tragen dazu bei, dass das Kondensator-Entladeintegral wesentlich größer ist als im Idealfall.

Höher takten ist keine Lösung

Da die Bandbreite des Kompensators auf der Schaltfrequenz basiert, bietet sich als Lösung an, die Schaltfrequenz des Wandlers zu erhöhen. Die frequenzabhängigen Verluste eines Abwärtswandlers (MOSFET-Gate-Verlust, Schaltungsverlust und Kernverluste der Induktivität) würden aber zu einem erheblich schlechteren Wirkungsgrad des Wandlers führen.

Physikalische Grenzen bei Halbleiterbausteinen und deren Stromkapazität betreffen ebenfalls die POL-Wandler. Um einen POL-Wandler für höhere Ströme zu entwickeln, müssen Entwickler entweder mehrere MOSFETs parallel schalten oder einen Mehrphasen-Wandler nutzen. Bei beiden Varianten würden sich die Größe und die Bauteilkosten erheblich erhöhen.

SEPIC-gespeiste Abwärtswandler-Topologie

Bild 2: Blockschaltbild eines SEPIC-gespeisten Abwärtswandlers.publitek.com

CUI hat eine neue Topologie entwickelt, die dieses Problem löst. Die proprietäre Solus-Power-Topologie vereint einen Single-Ended-Primary-Inductor-Converter (SEPIC) und einen Abwärtswandler zu einem SEPIC-gespeisten Abwärtswandler. Diese patentierte Topologie ist auf die Beschränkungen bestehender POL-Wandler gerichtet, vor allem bezüglich des Wirkungsgrads und des Transientenverhaltens. Bild 2 zeigt das Blockschaltbild eines SEPIC-gespeisten Abwärtswandlers.

Ein wesentlicher Aspekt dieser Topologie ist die Verringerung von Leistungsverlusten. Ein höherer Wirkungsgrad wird durch geringere Leitungs- und Schaltverluste an verschiedenen kritischen Punkten innerhalb des Wandlers erzielt. Diese Verbesserungen wirken sich insbesondere bei höheren Schaltfrequenzen aus. Je höher die Schaltfrequenz, desto höher sind Leistungsdichte und Bandbreite des linearen Kompensators bei gleichzeitig verbessertem Transientenverhalten. Kommen die gleichen Schaltbausteine im Abwärtswandler- und im Solus-Design zum Einsatz, bietet die neue Topologie eine Verringerung der Schaltverluste von über 90 %. Hierdurch steigt auch die Kosteneffizienz.

Bild 3 zeigt den Wirkungsgrad des Wandlers über dem Ausgangsstrom bei 12 V Ein- und 1 V Ausgangsspannung in einem nicht-isolierten 60-A-POL-Design. Der maximale Wirkungsgrad beträgt 91,28 % bei 30 A.

Bild 3: Wirkungsgrad eines SEPIC-gespeisten Abwärtswandlers (60-A-Typ) über Ausgangsstrom.publitek.com

Gut ausgeregelt

Bild 4 zeigt das Transientenverhalten bei 12 V Ein- und 1 V Ausgangsspannung bei einer 30-A-Laständerung (von 15 auf 45 A) mit 10 A/µs Anstiegsrate. Die Spitze-Spitze-Spannungsänderung beträgt 32 mV. Die Speicherkondensatoren der Schaltung bestehen aus zehn 470-µF-PosCAPs ohne zusätzliche Keramikkondensatoren.

Der Solus-Wandler kann so mit einer höheren Schaltfrequenz betrieben werden, ohne viel Effizienz einzubüßen. Damit steht eine hohe Leistungsdichte bei vernünftigen Wirkungsgraden zur Verfügung. Da die Topologie einen sehr flachen Verlauf der Wirkungsgradkurve aufweist und ein sehr effizienter Betrieb über einen großen Spannungsbereich möglich ist, lässt sich der Aufwand an Speicherkondensatoren verringern, was die Gesamtkosten der Stromversorgung reduziert.

Bild 4: Transientenverhalten bei einer 30-A-Laständerung mit 10 A/µs Anstiegsrate. Ch1 (dunkelblau): Vout, 10 mV/div; Ch2 (hellblau): Iout, 10 A/div.publitek.com

Der Eingangsstrom des SEPIC-gespeisten Abwärtswandlers ist ein fast geradliniger Gleichstrom mit nur sehr geringer Restwelligkeit. Der Kapazitätswert des Eingangskondensators konnte daher um bis zu 95 % verringert werden. Diese Eingangscharakteristik senkt auch elektromagnetische Störaussendungen, die durch die Eingangsstromwelligkeit auftreten. Dazu trägt die Induktivität auf der Eingangsseite des Wandlers bei, die auch die Gefahr von Ausfällen durch Shoot-Through-Ströme verringert.

Die Solus-Power-Topologie enthält ein magnetisches Bauelement, einen Steuerschalter und zwei Kommutierungsschalter, die über eine PWM (Pulsweitenmodulation) optimal angesteuert werden. Die magnetische Komponente besteht aus vier induktiv gekoppelten Spulen, die um den gleichen Kern gewickelt sind. Dies stellt wie bei herkömmlichen Abwärtswandlern einen einfachen Aufbau dar.

Fazit

Moderne Kleinspannungssysteme verlangen immer höhere Ströme bei verschiedenen niedrigen Spannungen und weisen sehr strenge Anforderungen an die Stromregelung auf. Hohe Ströme im Bereich >100 A mit steilen Transienten sind heute keine Seltenheit mehr. Bestehende Topologien stoßen hier zunehmend an ihre Grenzen. POL-Wandler müssen daher eine hohe Leistungsdichte, einen hohen Wirkungsgrad für stromsparende Systeme, eine schnelle Regelung und geringe Störaussendung aufweisen. Der SEPIC-gespeiste Abwärtswandler-Topologie ist für diese Anforderungen optimiert.

(jwa)