Wie sich Betriebsspannungen von unter 1 V erzeugen lassen

Die Leistungsfähigkeit und die Anforderungen an die Betriebsspannung für die Elektronik digitaler Anwendungen haben sich enorm weiterentwickelt. Beim ursprünglichen 8086-Prozessor mit einer Taktrate von maximal 10 MHz und dem 3-µm-Prozess wurde für Kern- und E/A-Funktionen eine Betriebsspannung von 5 V verwendet – bei einer Verlustleistung von nur 1,8 W. Die auf einer Ebene ausgelegte Betriebsspannung reduzierte sich über die Lebensdauer des Prozessors allmählich auf 3,3 V. Nachdem bei Laptops und Mobilgeräten die Leistungsaufnahme möglichst gering sein sollte, wurde eine Stromversorgung auf zwei Ebenen eingeführt. Dadurch konnte die Kernspannung niedriger ausgelegt werden, während sie beim Ein-/Ausgabewerk weiterhin bei 3,3 V lag. Bei modernen Prozessoren mit Taktraten von 4 GHz und einem 7-nm-Prozess beträgt die Kernspannung weniger als 1 V und die Spitzenleistung etwa 140 W.

Die Notwendigkeit, die Betriebsspannung weiter zu senken, verringert zwar die Leistungsaufnahme, beeinträchtigt aber auch die mögliche Geschwindigkeit. Höhere Spannungen bedeuten eine höhere Beanspruchung der Metalloxidisolatoren an den Transistoren des Prozessors und sind aufgrund der Tunneleffekte mit einem höherem Leckstrom und größeren Leistungsverlusten verbunden. Die Dicke der Isolationsschicht beträgt normalerweise nur 0,5 nm, etwa die Größe von zwei Atomen. Um ständig steigenden Leistungsbedarf bei niedrigen Betriebsspannungen bereitzustellen, hat sich die Verarbeitung von Programmcode in mehreren parallelen Einheiten von Multi-Core-Prozessoren als Standard etabliert und dadurch Leistungsfähigkeit und Stromverbrauch insgesamt vervielfacht.

Eine dezentrale Stromversorgung war für die Auslegung auf einer Ebene angemessen und die Genauigkeit wurde in den integrierten Schaltungen durch geringen Spannungsabfall der Anschlüsse bei geringen Stromstärken gewährleistet. Doch mit abnehmender Spannung stiegen die Stromstärken und die Genauigkeitsvorgaben wurden präziser. Daher wurden Intermediate-Bus-Systeme erforderlich, um Spannung um ein System mit höherem Spannungsniveau herumzuleiten, in der Regel 12 V und bei geringerer Stromstärke. Anschließend erfolgte die Abwärtswandlung der Spannung mittels DC/DC-Wandler auf eine der Last angenäherte Betriebsspannung.

In Telekommunikationsumgebungen ist eine zuverlässige Versorgung notwendig, gleichzeitig sollten Kosten und Umweltbelastung möglichst gering sein. Dies erforderte einen erheblichen Wandel bei der Leistungsarchitektur in der Computertechnologie. Bis Anfang der 1990er war eine zentrale Stromversorgung üblich, bei der ein AC/DC-Gleichrichter einen -48-V-Bus generierte, der über Batterie als Backup verfügte (Bild 1a). Ein DC/DC-Wandler lieferte anschließend niedrigere Spannungen, normalerweise 5 V und ± 12 V an Spannungsschienen in Gehäusen. Die statische und dynamische Regelung war mangelhaft und durch den Ausfall einzelner Komponenten konnte das gesamte System ausfallen. Deshalb wurde mit der DPA-Architektur (Distributed Power Architecture) eine dezentrale Architektur für die Stromversorgung geschaffen. Hierbei werden mithilfe isolierter DC/DC-Wandler auf Platinen -48 V mit Batterie-Backup an jeder Spannungsschiene bereitgestellt (Bild 1b). Redundante Platinen ermöglichten das Hot-Swapping, sodass das System mit präzise geregelter Spannung an den Lasten weiterlaufen konnte. Da viele isolierte DC/DC-Wandler höhere Kosten verursachten, wurde manchmal auch ein Hybrid aus zentraler und dezentraler Stromversorgung eingesetzt.

Die nächst höhere Entwicklungsstufe bestand in einer IBA-Architektur (Intermediate Bus Architecture, Bild 1c). Hierbei erfolgen Isolation und Abwärtswandlung auf eine Intermediate-Bus-Spannung von normalerweise 5 V oder 12 V, die von einem einzelnen IBC-Wandler (Intermediate Bus Converter) auf jeder Platine bereitgestellt werden. Nicht isolierte DC/DC- oder PoL-Wandler (Point of Load) liefern dann die endgültige Spannung. Der Bus-Wandler wurde mit -48 V, 24 V oder sogar 400 V versorgt, damit Primärstrom und Durchlassverluste niedrig blieben. Der Wandler kann voll-, halb- oder völlig ungeregelt sein, je nach Anwendung, denn die PoL-Wandler haben normalerweise einen großen Eingangsspannungsbereich und benötigen daher keine präzise geregelte Versorgungsspannung.

Die IBA-Architektur ist heutzutage mit Varianten von Bus-Wandlern üblich und dafür konzipiert, dass der optimale Wirkungsgrad einer Anwendung insgesamt erreicht wird. Doch angesichts unweigerlich höherer Lasten, erweist sich die IB-Spannung (Intermediate Bus Voltage) von 12 V inzwischen aufgrund der beteiligten hohen Stromstärken als problematisch. Bei modernen Architekturen wurde die Bus-Spannung auf 48 V erhöht und PoL-Wandler sind so ausgelegt, dass sie diese Spannung in extremen Fällen direkt auf eine Spannung im Bereich von unter 1 V abwärtswandeln. Dieses hohe Umwandlungsverhältnis liefert kurze Pulse und hohe Spitzenströme im Wandler. Vor ein paar Jahren wären sie im Hinblick auf den Wirkungsgrad noch als unpraktikabel verworfen worden. Doch angesichts der Fortschritte bei Halbleitern und den Topologien für die Leistungsumwandlung gilt dieser Ansatz inzwischen als machbar, insbesondere angesichts geringerer ohmscher Verluste, kompakterer Größe und niedrigerer Kosten. Wenn es aus Gründen des Wirkungsgrads gerechtfertigt ist, ist auch eine Kaskadenschaltung der PoL-Wandler möglich. Ist für die Ein-/Ausgabeeinheit eine Abwärtswandlung von 48 V auf 3,3 V erforderlich, kann über einen weiteren PoL-Wandler die Spannung von 3,3 V auf 1,8 V abwärtsgewandelt werden. Systemdesigner stellen die vorgeschlagene Architektur normalerweise in Form eines Baumdiagramms vor. Bild 2 zeigt dies beispielhaft für ein System-on-Chip (SoC) von Xilinx.

Die bei IBA-Architekturen eingesetzten PoL-Wandler müssen präzisen Spezifikationen für Ausgangsrauschen, Spannungstoleranz sowie statische und dynamische Regelung entsprechen. Typische Anforderungen sind eine Ausgangsgenauigkeit von ±3 Prozent unter allen Bedingungen bei den empfindlichsten Lasten wie etwa bei digitalen Signalprozessoren (DSPs), die mit einer Kernspannung von 1 V laufen bei Lastschritten von 5 A oder mehr. Der Regelkreis des Wandlers muss schnell sein, was eine hohe Schaltfrequenz bedeutet, die wiederum Hochleistungshalbleiter erfordert, beispielsweise Halbleiter mit breiter Bandlücke für einen hohen Wirkungsgrad. Entwickler sollten PoL-Wandler mit anderen PoL-Wandlern in einer bestimmten Sequenz schalten, sodass die Spannungsschienen in der richtigen Reihenfolge ansteigen oder fallen. Ein Prozessor muss zunehmend auch mit dem PoL-Konverter kommunizieren, um die Ausgangsspannung dynamisch anzupassen und die Performance wie Ausgangsstrom, Temperatur und Fehlermeldungen zu überwachen. Dies erfolgt normalerweise über PMBus-Befehle über eine I2C-Schnittstelle. Die PoL-Konverter der neuesten Generation verfügen auch über eine digitale Regelung, damit die optimale Performance bei wechselnden Lasten und unterschiedlicher Ausgangskapazität bei verschiedenen Anwendungen oder mit der Zeit wechselnden Bedingungen gewährleistet ist. Die Steuerung und Überwachung in einem PoL sind daher kompliziert. Sogar die einfache Topologie eines klassischen Abwärts-/Aufwärtswandlers werden durch Synchrongleichrichtung und Multiphasenbetrieb für einen akzeptablen Wirkungsgrad bei hohen Lastströmen erweitert, während gleichzeitig die Verluste bei leichten Lasten gering bleiben.

Die Spezifikationen für PoL-Wandler unterscheiden sich je nach Last. CPUs, FPGAs, ASICS, SoC und ACAP haben jeweils ganz eigene Anforderungen. In jedem Fall müssen Entwickler den Wandler möglichst genau an die Last anpassen, um eine optimale Performance zu erzielen. Dies ist bei der Anordnung auf der Platine eine Herausforderung, da ebenso zahlreiche Adress- und E/A-Leitungen untergebracht werden müssen. PoL-Konverter sollten daher äußerst kompakt sein. Deshalb eignen sich PoL-Konverter als einzelne Bauelemente in den seltensten Fällen. Stattdessen sind Module eine naheliegende Option. Dieser Ansatz hat zudem den Vorteil, dass der vertikale Raum mit bereits im Vorfeld getesteten und zertifizierten Modulen genutzt werden kann, die branchenübliche Standardformate haben. Die für die PoL-Wandler notwendige Technologie erfordert eine sorgfältige Anordnung der Spannungsebenen, Abschirmschichten und der präzisen Stromkreise in der Leistungsphase, um elektromagnetische Störungen zu vermeiden. Diese Features lassen sich eher im Substrat eines Moduls umsetzen, das für die Aufgabe ausgelegt ist, als auf der Hauptplatine selbst. Angesichts typischer PoL-Wandler mit mehr als 100 Komponenten ist die Lagerhaltung und Beschaffung eines Moduls auch deutlich einfacher als bei einer Lösung aus diskreten Bauelementen.

Zudem gibt es Hybrid-Lösungen, bei denen die Leistungsphase als Modul erwerbbar ist und die mit Energiemanagement und Steuerschaltkreisen anderer Hersteller kompatibel sind. Bei solchen Lösungen wird die integrierte Schaltung an der Hauptplatine angebracht und das Modul darüber oder auf der Rückseite der Hauptplatine befestigt.

PoL-Wandler sind für die Durchsteckmontage oder im anschließbaren SIP-Format erhältlich und benötigen minimalen Platz auf der Platine, beispielsweise die PoL-Wandler von Texas Instruments, Recom, CUI, Traco, Murata, ABB, XP Power, Advanced Energy und vielen anderen Herstellern. Module für die Oberflächenmontage werden aufgrund der wirtschaftlichen Herstellung bevorzugt und es gibt verschiedene Optionen, wie Gull-Wing-Anschlüsse, Anschlussblöcke, LGA und iLGA (Inspectable Land Grid Array). Sie bieten eine Ausgangsleistung von Bruchteilen eines Volt und Stromstärken von über 40 A.

Die Serie Murata MYMGA Monoblock bietet 12 A im LGA-Format mit einer Größe von 10,5 × 9,0 × 5,6 mm³. Die Bauelemente zeichnen sich durch einen Eingangsbereich von 4,5 - 8 V oder 8 – 15 V aus sowie eine Ausgangsspannung von nur 0,7 bis 1,8 V sowie einem maximalen Wirkungsgrad von 93,5 Prozent. Die Serie entspricht den Anforderungen des FPGA/der CPU für präzise Spannungsschienen und bietet eine maximale Lastregelung von +/-1 Prozent (Bild 4). Der PoL-Wandler von Texas Instruments PTH08T250W im Durchsteckformat bietet eine präzise Lastregelung von ±1,5 Prozent, doch über den Ausgangsstrombereich von 0-50 A und mit der Option, Module für noch höhere Stromstärken parallel zu schalten. Das Bauteil hat eine Eingangsstromstärke von 4,5 bis 14 V und die Ausgangsspannung kann im Bereich von 0,7 V bis 3,6 V mit einem Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent angepasst werden. Die Bauelemente von Murata und Texas Instruments eignen sich für IBA-Architekturen, bei denen die Busspannung lose geregelt wird, wodurch ein insgesamt hoher Wirkungsgrad zustande kommt.

Alle Wandler verfügen über umfassende Schutzfunktionen und einige entsprechen den von der DOSA (Distributed Power Open Standards Alliance) festgelegten üblichen Leistungs- und Pin-Out-Standards. Eine wichtige, unbedingt zu beachtende Funktion ist das Hochfahren bei vorhandener Vorspannung, die bei Systemen mit mehreren Spannungsschienen vorkommen kann. Die komplexeren PoL-Wandler bieten mehr Überwachungs- und Steuerfunktionen. Damit können Anwender den Steuerkreis für die Spannung auf maximale dynamische Leistung auslegen und gleichzeitig die Ausgangskapazität für eine bestimmte Last minimieren.

Anbieter modularer PoL-Wandler bieten normalerweise Platinen zu Demonstrationszwecken inklusive grafischer Benutzeroberflächen, über die Reaktion des Regelkreises sowie die Steuer- und Überwachungsparameter eingerichtet werden können. (prm)