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Auf einen Blick

Der MPQ4470 ist ein monolithischer, synchroner Step-down Schaltregler, der es aufgrund seiner sehr guten Effizienz und geringen externen Beschaltung erlaubt, Applikationen mit hoher Leistungsdichte zu realisieren. Der weite Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 36 V macht ihn für eine Vielzahl von industriellen und automotiven Applikationen sehr interessant.

Angeboten wird der Step-Down-Regler für einen Temperaturbereich von -40 bis 125 °C, die Automotive-Version mit AECQ100-G1 befindet sich zur Zeit in der Qualifizierung. Um ein bestmögliches Lastsprung-Verhalten für anspruchsvolle FPGAs oder GSM-Module zu liefern, wird zur Regelung ein adaptives Constant-on-time (COT)-Verfahren verwendet. Normalerweise haben COT-Regler den Nachteil, dass die Schaltfrequenz von der Eingangsspannung und dem ESR des Ausgangskondensatores abhängt. Dies ist in vielen Anwendungen unerwünscht. Im MPQ4470 wird intern die Einschaltzeit in Abhängigkeit von der Eingangsspannung verändert, so dass sich eine nahezu konstante Schaltfrequenz für unterschiedliche Eingangsspannungen ergibt. Über R4 und C4 in Bild 1 wird zusätzlich ein Ripple-Signal in das Rückkoppel-Netzwerk (R1 und R2) eingespeist, um die Schaltfrequenz unabhängig vom ESR des Ausgangskondensators zu machen. Durch diese Schaltungsdetails erhält man einen COT-Regler mit einer nahezu konstanten Schaltfrequenz, der zudem mit dem niedrigen ESR keramischer Ausgangskondensatoren stabil arbeitet.

Bild 1: Die MPQ4470-Schaltung: 5 A mit 2 x 22 µF MLCC am Ausgang, feste Schaltfrequenz

Bild 1: Die MPQ4470-Schaltung: 5 A mit 2 x 22 µF MLCC am Ausgang, feste Schaltfrequenz = 500 kHz.Endrich

Nahezu konstante Schaltfrequenz

Um die Größe der externen Bauteile gegenüber den Schaltverlusten für die jeweilige Applikation optimieren zu können, ist die Schaltfrequenz einstellbar. In einer Anwendung mit 24 V auf 3,3 V und 3 A Last fällt die Effizienz von 92,3 Prozent mit 350 kHz auf 91,8 Prozent (500 kHz) beziehungsweise 90,6 Prozent (700 kHz). Eine Verdopplung der Schaltfrequenz resultiert in diesem Arbeitspunkt in um 170 mW (1,7 Prozent) höheren Verlusten. Wird die Schaltung mit 12 V am Eingang versorgt, ergibt sich eine Effizienz von 94,1 Prozent bei 3 A mit 350 kHz und 93,7 Prozent mit 700 kHz. Bei der geringeren Eingangsspannung verringert sich die Effizienz nur um 0,4 Prozent, also 40 mW. Vergleicht man die Versorgung mit 12 und 24 V bei gleicher Schaltfrequenz so beträgt der Unterschied 1,8 Prozent (350 kHz) beziehungsweise 3,1 Prozent (700 kHz). Die Schaltverluste steigen also linear mit der Frequenz und quadratisch mit der Versorgungsspannung.

Bild 2: MPQ4470-Evaluation-Board: 94,6 Prozent Effizienz im 3 mm x 4 mm großen Gehäuse.

Bild 2: MPQ4470-Evaluation-Board: 94,6 Prozent Effizienz im 3 mm x 4 mm großen Gehäuse.Endrich

Bild 3: Effizienz-Vergleich für die Versorgung mit 12 und 24 V, feste Schaltfrequenz

Bild 3: Effizienz-Vergleich für die Versorgung mit 12 und 24 V, feste Schaltfrequenz = 350 kHz und 700 kHz. Endrich

Lastsprung-Verhalten deutlich verbessert

Das COT-Verfahren wurde ausgewählt, um im Vergleich zu klassischen Reglern ein deutlich besseres Lastsprung-Verhalten zu bieten. Im COT reagiert ein Komparator unmittelbar bei fallender Ausgangsspannung mit einem Einschaltpuls. Im Buck-Regler mit fester Schaltfrequenz(fsw) liegt die Grenzfrequenz der Regelschleife in der Praxis meist im Bereich von einem Fünftel bis zu einem Zehntel dieser Frequenz, bei fsw = 500 kHz beträgt die Regelzeitkonstante also 10 bis 20 µs. Für eine gute Ausregelung eines Lastsprungs werden somit, je nach Auslegung des Reglers, etwa 30 bis 100 µs benötigt. Die COT-Schaltung kommt bei gleicher Regelabweichung mit weniger Ausgangskapazität aus.

Bild 4: Lastsprung von 0,5 auf 2,6 A mit 2 A/µs / 80 mV Abweichung mit einer Ausgangskapazität von nur 2 x 22 µF. Feste Schaltfrequenz

Bild 4: Lastsprung von 0,5 auf 2,6 A mit 2 A/µs / 80 mV Abweichung mit einer Ausgangskapazität von nur 2 x 22 µF. Feste Schaltfrequenz = 500 kHz, CH1 = V_out (50 mV / div AC), CH3 = I_Last (500 mA / div).Endrich

Bild 5: Simulierter GSM-Lastsprung mit 0,25 A / µs von 0,5 auf 2,5 A in einer Applikation von 12 auf 3,3 V, 2 x 22 µF am Ausgang.

Bild 5: Simulierter GSM-Lastsprung mit 0,25 A / µs von 0,5 auf 2,5 A in einer Applikation von 12 auf 3,3 V, 2 x 22 µF am Ausgang.Endrich

Bild 4 zeigt einen starken Lastsprung von 0,5 auf 2,6 A mit einer Anstiegszeit von 2 A/µs. Obwohl nur 2 x 22-µF-Keramik-Kondensatoren am Ausgang verwendet werden, fällt die Ausgangsspannung lediglich um 80 mV. Zum Vergleich dazu verlangt ein GSM-System eine Strom-Anstiegszeit von 0,15 A/µs. Bild 5 zeigt einen simulierten GSM-Lastsprung mit 0,25 A/µs von 0,5 auf 2,5 A in einer Anwendung von 12 auf 3,3 V mit einer Ausgangskapazität von 2 x 22 µF.

Durch die Ausführung als monolithischer Chip in einem kompakten Gehäuse mit geringer parasitärer Induktivität ergeben sich im Vergleich zu Controller + FET-Lösungen deutliche EMV-Vorteile. Dies gilt auch im Vergleich zu monolithischen Buck-ICs anderer Hersteller, die aber auf mehreren Einzel-Chips basieren, die über Bonddrähte verbunden sind. Beim MPQ4470 kann die für die Störungen maßgebliche Antennen-Fläche des Kreises mit hohem di/dt zwischen Eingangskondensator und den beiden FETs sehr klein gehalten werden (siehe Bild 5).

Bild 6: Sehr kleiner Eingangskreis des MPQ4470 mit hohem di/dt.

Bild 6: Sehr kleiner Eingangskreis des MPQ4470 mit hohem di/dt.Endrich

Beim Platinen-Aufbau sollte in der Lage unter dem Step-Down-Regler mit kleinem Abstand eine Massefläche liegen. Werte von 50 µm sind ideal, kleiner 250 µm sollten angestrebt werden. Für eine Reduktion der Anstiegszeit und zum Verringern von Überschwingern am Schaltknoten kann ein kleiner Widerstand zwischen dem Bootstrap-Pin (BST) und C3 aus Bild 1 platziert werden. Dieser Widerstand reduziert den Ladestrom der Gate-Source-Kapazität beim Einschalten des oberen FETs. Empfohlener Standardwert sind 5 Ω. Dieser Wert wurde bei allen im Text angegebenen Messungen verwendet. Je nach Wert und Applikation kann mit dieser Maßnahme die Störabstrahlung um zirka 3 bis 6 dB gesenkt werden. Allerdings erhöhen sich hierdurch die Schaltverluste. Mit 3,3 V und 3 A Last am Ausgang und 500 kHz Schaltfrequenz erhöhen sich diese bei einer Änderung von 5 auf 22 Ω um ein Prozent (100 mW) für eine Speisung mit 24 V. Bei einer Eingangsspannung von 12 V erhöhen sich diese Verluste nur um 0,4 Prozent (40 mW).

MPS und Endrich

MPS arbeitet seit Jahren erfolgreich mit dem Spezialdistributor Endrich zusammen. In der Regel vermittelt Endrich den Kontakt zu einem potenziellen Kunden und stellt dort geeignete Produkte vor. Sollten bei eine Anwendung große technische Herausforderungen zu bewältigen sein, kümmern sich die Applikationsingenieuere von Endrich gemeinsam mit einem speziell geschulter FAE von MPS darum. Die logistische und kommerzielle Abwicklung erfolgt dann jeweils über Endrich. Endrich Bauelemente versteht sich als Design-in-Distributor und vertritt Unternehmen teilweise exklusiv in Deutschland und Europa. 110 Mitarbeiter beraten und betreuen von der Zentrale in Nagold sowie von 14 Vertriebsniederlassungen im Inland und sieben Büros im Ausland aus Kunden aus unterschiedlichsten Märkten.

Jens Hedrich

ist FAE bei MPS.

Dietmar Kinn

ist Product Manager Semiconductor bei Endrich Bauelemente.

(ah)

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Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

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