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Überzeugt mit einer hohen Leistungsdichte: der digitale PoL-Wandler BMR463.
Der BMR463 erweitert den Betriebsbereich auf 4,5 bis 14 Volt DC Eingangsspannung und 0,6 bis 3,3 Volt DC Ausgangsspannung.
Der digitale Core ermöglicht erhebliche Verbesserungen hinsichtlich Leistungsdichte und Funktionalität.
Die erste Generation des digitalen BMR450 (rechts) bietet 20 A Strom bei kompakter Größe. Die Leistungsdichte verbesserte sich im Vergleich zum Analogwandler von 7,4 auf 24,3 W/cm3
Pinbelegung und Funktion
Eine gemeinsame Stellfläche für die BMR46x-Wandler mit 12, 20 und 40 A Ausgangsstrom
Patrick Le Fèvre, Marketing and Communications Director, Ericsson Power Modules in Stockholm, Schweden: "Ein hoher Wirkungsgrad und die hohe Integration der digitalen Steuerung ermöglichen eine wesentliche Verbesserung der Leistungsdichte"

„Innerhalb weniger Jahre hat sich die digitale Leistungswandlung von einer Neuerung hin zu einer breiten Akzeptanz begeben. Als erster Anbieter einer Familie digital geregelter Leistungswandler stellte Ericsson im Jahr 2008 seinen Viertel-Brick-Intermediate-Bus-Wandler BMR453 vor“, blickt Patrick Le Fèvre, Marketing and Communications Director, bei Ericsson Power Modules in Stockholm, Schweden, zurück. Diesem folgte ein Achtel-Brick-Modell sowie einigen PoL-Regler. Jedes dieser Geräte aus der 3E-Familie bot elektrische Spezifikationen und Leistungsmerkmale, die nach Herstelleraussagen noch heute zu den besten ihrer Klasse zählen. Aber auch hier steht der Fortschritt nicht still. Mit dem BMR463 ist das erste Mitglied der zweiten Generation digital geregelter PoLs verfügbar. Für Entwickler sind Kennzahlen, wie Wirkungsgrad, Leistungsdichte und elektrische Leistungsfähigkeit wichtig. Diese Größen müssen mit anderen Faktoren, beispielsweise Funktionsvielfalt und Kosten, abgestimmt werden. Weil zum Beispiel passive Bauteile die Schleifendynamik jedes herkömmlichen Analogwandlers mitbestimmen, setzen Entwickler den optimalen Betriebspunkt bei 50 bis 70 Prozent des Wandler-Ausgangspotenzials, da dies der Bereich ist, in dem Anwender solche Produkte früher betrieben haben.

Digitale Steuerung integrieren

Durch die Integration einer digitalen Steuerung, die sich an die Netz- und Lastbedingungen in Echtzeit anpasst, erweiterte bereits der BMR450 den Wandlerwirkungsgrad insbesondere bei niedrigen Lasten, wo die Verluste sonst hoch waren. Das digitale Bauteil nutzt eine Totzeit-Steuerung für die Schalter seines synchronen Buck-Wandlers. Das minimiert die Zeitspanne, in der die Mosfets abgeschaltet sind – wenn Strom durch die verlustbehafteten Body-Dioden fließt. So erhöht sich der Wirkungsgrad in betriebsbedingten Extremsituationen, und die Wirkungsgradkurve flacht ab.

A new generation is born

Digitale Wandler tragen zu mehr Energieeinsparungen bei, sie punkten mit einem hohen Wirkungsgrad, einer hohen Integration und damit letztendlich mit einer hohen Leistungsdichte und Leistungsfähigkeit. Drei Jahre nach der ersten Generation seiner digital geregelten PoLs stellt Ericsson Power Moduls nun mit dem BMR463 das erste Nachfolgemodell vor. Vorteil: eine komplette Systemoptimierung und damit ein niedriger Energieverbrauch.

Ericssons neu entwickelter BMR463 ist programmierbar, womit sich der Wirkungsgrad im unteren Lastbereich optimieren lässt. Dabei wird die effektive Schaltfrequenz minimiert und ein hoher negativer Stromfluss durch den Low-Mosfet-Schalter verhindert. Weitere Vorteile: Verbesserungen des zugrundeliegenden Siliziums sowie proprietäre Firmware-Entwicklungen. Der Wandler wurde für eine Eingangsspannung von 4,5 bis 14 und eine Ausgangsspannung von 0,6 bis 3,3 Volt DC spezifiziert.

„Ein höherer Wirkungsgrad und die höhere Integration der digitalen Steuerung ermöglichen eine wesentliche Verbesserung der Leistungsdichte“, betont Patrick Le Fèvre. Abgesehen von der Verdreifachung der Leistungsdichte enthält der BMR450 ein Überwachungs-Mess- und Regelsystem, auf das der Anwender über die PMBus-Schnittstelle zugreifen kann. Vorteil: Im Vergleich zur Analog-Architektur sinkt damit die Komplexität und Fläche der Leiterplatte. Board-Power-Management-Logik kann dann auf jeden Wandler der 3E-Reihe zugreifen und Parameter, wie Ausgangsspannung, Strom und Wandlertemperatur, auslesen sowie den Wandler im laufenden System programmieren.

Des Weiteren verfügt der BMR463 über einen so genannten Snapshot-Modus, der wichtige Betriebsparameter erfasst und diese während des Normalbetriebs in einem nichtflüchtigen Speicher ablegt. Unter Fehlerbedingungen lässt sich diese Funktion automatisch durchführen. „Die Entwicklung anspruchsvoller PMBus-Systeme wird damit einfacher als je zuvor“, erklärt Patrick Le Fèvre. „Die Vorteile sind weit reichend: von der dynamischen Systemoptimierung, mit der sich der Energieverbrauch senken lässt bis hin zur Datenerfassung, die eine Ursachen- und vorausschauende Fehleranalyse durchführen kann“, freut sich Marketing Direktor.

Einschwingverhalten ergänzt elektrische Leistungsfähigkeit

Die elektrische Leistungsfähigkeit digitalen Bausteins ist generell besser als die eines analogen Wandlers mit ähnlichen Leistungswerten. Die Netz- und Lastregelung bleibt bei jeder Einstellung innerhalb von 3 Millivolt, während die Genauigkeit der Ausgangsspannung einschließlich Temperaturauswirkungen im Betriebsbereich von -30 bis +85 Grad Celsius bei ±1 Prozent liegt. Die Ausgangswelligkeit und das Rauschen schwanken von 20 Millivolt Spitze-Spitze bei 0,6 Volt Ausgangsspannung bis 60 Millivolt bei 3,3 Volt und lassen sich in bestimmten Anwendungen optimieren, indem die standardmäßige Schaltfrequenz des Wandlers (320 kHz) zwischen 200 und 640 Kilohertz variiert wird.

Bei einem schnellen Anstieg des Ausgangsstroms umgeht der nichtlineare Regelkreis des digitalen Cores die Hauptregelschleife. Folglich erhöht sich das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt des Wandlers, was das Einschwingverhalten jenseits der Möglichkeiten der linearen Schleife beschleunigt. Im Gegensatz zum herkömmlichen analogen PoL lassen sich die dynamischen Eigenschaften des digitalen Regelkreises feinjustieren, um das Einschwingverhalten an spezielle Netz-, Last- und Ausgangskapazitätsbedingungen anzupassen.

Analogwandler ersetzen

Wie alle Module der 3E-Reihe, lässt sich der nichtflüchtige Speicher, der die Setup-Parameter des BMR463 speichert, während der Fertigung oder später programmieren, zum Beispiel während dem ATE-Funktionstest eines Host-Boards. Damit werden die Parameter, wie die Ausgangsspannung, über die PMBus-Schnittstelle festgelegt. Die Set-&-Forget-Funktion des Moduls unterstützt die Implementierung einer Ablaufsteuerung, die bei Logik-Modulen für mehrere Stromschienen erforderlich ist. Zudem wird eine Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit unterstützt, die erforderlich ist, um Stromspitzen beim Einschalten zu minimieren. Weiterer Pluspunkt: Der BMR463 kann eigenständig arbeiten, um Analogwandler zu ersetzen. Dazu enthält der Datenkommunikations-Header Anschlüsse, die eine Spannungserfassung aus der Ferne unterstützen Das überfolgt zusammen mit einem Pinstrap, über den sich durch eine Widerstands die Ausgangsspannung des Wandlers in 28 Schritten von 0,6 bis 3,3 Volt DC einstellen lässt.

Die 25,65 mal 13,8 mal 8,2 Millimeter große Komponente verfügt über zwei zusätzliche Anschlüsse. Ein Group-Communications-Bus -Anschluss (GCB) ermöglicht es mehreren BMR463-Wandlern, untereinander autonom zu kommunizieren. Das ermöglicht eine Fehlerstreuung entsprechend konfigurierter Wandler, so dass bei einer vorübergehenden Störung in einem der Bausteine ein vorbestimmtes Herunterfahren und ein Neustart initiiert werden, was empfindliche Chips mit mehreren Stromschienen schützt. Der BMR463 hat eine Ablaufsteuerung von Spannungsschienen in einer Multi-Rail-Umgebung beim routinemäßigen Ein- und Ausschalten. Ein analoger Spannungsverfolgungseingang vereinfacht Multi-Rail-Anwendungen ebenfalls und ergänzt die normale Spannungs-Ablaufsteuerung, so dass das Modul eine externe Referenzspannung verfolgen kann und seinen Ausgang mit der gleichen Anstiegsrate oder einem Teil dieser Anstiegsrate hochfahren kann.

Die Taktsynchronisierung des Wandlers fügt die Funktion hinzu, den Phasenwinkel zwischen Modulen zu verschieben, die mit bis zu 16 Schritten schalten. Damit minimiert sich die momentane Belastung der Eingangsspannung, weil die Stromspitzen über eine ganze Schaltperiode verteilt werden. Der Baustein enthält nun ein eigenes Power-Good-Signal, das anzeigt, dass der Ausgang innerhalb -10/+15 Prozent seines Zielwertes liegt. Diese Standard-Grenzwerte sind einstellbar.

Autonome Stromteilung ohne O-Ring-Dioden

Der BMR463 verfügt über einen Stromteiler-Modus, mit dem sich bis zu acht Modulausgänge parallel schalten lassen, ohne dabei O-Ring-Dioden oder Mosfets einsetzen zu müssen. Damit gibt es einen Ausgangsstrom bis zu 160 Ampere. Davon profitieren Systeme, die Schaltkreisblöcke dynamisch abschalten, um den statischen Stromverbrauch zu senken, beispielsweise als Reaktion auf Netzwerkverkehrsprofile in Kommunikationssystemen.

In einer Konfiguration als Stromteiler-Gruppe fungiert der Wandler in der niedrigsten Position automatisch als Referenz und kommuniziert die Höhe seines Spulenstroms kontinuierlich über den GCB. Andere Module der Gruppe greifen auf diese Information zu und passen ihre Ausgangsspannungen entsprechend an, um einen gleichmäßigen Stromfluss von jedem Modul zu erhalten. Ein künstlicher Droop-Widerstand im Ausgangsspannungspfad eines jeden Moduls kompensiert automatisch Ungleichheiten, wie unterschiedliche Leiterplatten-Widerstandpfade.

Gruppenmitglieder können Schaltphasenunterschiede untereinander automatisch einrichten. Damit minimiert sich die Belastung der Eingangsschiene und die Ausgangswelligkeit teilt sich durch die Anzahl an Modulen innerhalb der Gruppe. Eine Stromteiler-Gruppe kann Phasen je nach Lastbedingung dynamisch hinzufügen oder abschalten. Das spart Wandlungs-Schaltenergie bei niedrigen Lasten ein, wenn weniger BMR463-Module den Ausgangsstrombedarf abdecken müssen. „Eine Gruppe kann Redundanz bieten, fehlerhafte Phasen verwerfen und Ersatz hinzuschalten – vorausgesetzt, die Gruppe kann sich selbst konfigurieren, um einen Normalbetrieb aufrecht zu erhalten und den erforderlichen Laststrom zu liefern“, weiß Patrick Le Fèvre.

Zukünftige Designs mit einbeziehen

Ericssons Entwickler haben für den BMR463 eine Stellfläche erarbeitet, die bereits künftige BMR46x-Wandler mit einbezieht. Diese werden Ausgangsströme von 12, 20 und 40 Ampere liefern. Leiterplatten-Entwickler können eine einheitliche Stellfläche verwenden, um Änderungen des Leistungsbedarfs bei System-Upgrades zu berücksichtigen. Jeder BMR46x ist als Durchkontaktierungs- oder SMD-Version erhältlich. Sein Design vereinfacht die automatisierte Montage in Leiterplatten-Fertigungsprozessen. 

Der Beitrag basiert auf Materialvorlagen von Patrick Le Fèvre von Ericsson Power Modules.