Smarter Abwärtswandler für flexible POL-Lösungen

Ein besonderes Merkmal des intelligenten Abwärtswandlers LTC3886 ist die I²C-basierende und PMBus-kompatible serielle Schnittstelle, über welche seine Funktionen konfiguriert, überwacht und gesteuert werden. Die Eigenschaften lassen sich per grafischer Bedienoberfläche konfigurieren und im EEPROM des Bausteins speichern. In fortgeschrittener Entwicklungsphase sind für Funktionsänderungen keine Hardwaremodifikationen an der Baugruppe erforderlich, da die Modifikation allein per Softwarekonfiguration erfolgen kann.

Flexibler Funktionsumfang

Die Architektur des zweikanaligen DC/DC-Abwärts-Schaltreglers ist für den Betrieb mit konstanter Frequenz ausgelegt. Der Baustein kann auch als Stromquelle mit Strommessung der Ein- und Ausgänge betrieben werden. Zusammen mit den programmierbaren Parametern des Regelkreises eignet sich der LTC3886 für Stromversorgungen mit hoher Genauigkeit und individueller Anpassung an verschiedene Lastsituationen. Der Schaltkreis befindet sich im QFN-Gehäuse (7 mm x 8 mm) mit 52 Anschlüssen.

Bild 1 zeigt die Funktionsskizze einer Schaltung mit dem LTC3886 als Schaltzentrale. Aufgrund der skalierbaren Software und flexiblen Hardware bietet sich der Baustein für die meisten Point-of-Load-Applikationen in industriellen und medizintechnischen Umgebungen an.

Konfiguration, Diagnose- und Debugging

Das Windows-basierende grafische Entwicklungswerkzeug LT-Power-Play bietet eine Soft-Konfiguration sowie diverse Entwicklungs-, Diagnose- und Debugging-Funktionen für den LTC3886. Folgende Parameter sind einstellbar:

• Ausgangsspannung mit Über-/ Unterspannung und Überstromschutz
• Eingangsspannung mit Überspannungs- und Überstromschutz
• Soft-Start/Stopp, Sequenzierung, Bereichsbegrenzung
• Justierung der Regelschleife
• PWM-Schaltfrequenz und -Phasenlage
• Störfallverhalten, Fehlerfortpflanzung über die FAULT-Pins
• Bausteinadresse

Zusätzlich können Schaltfrequenz, Bausteinadresse und die Ausgangsspannungen der Bausteinphasen per Beschaltung mit Konfigurationswiderständen festgelegt werden.

Bild 3a: Die linke Schaltungshälfte eines vierphasigen 50-A-POL enthält den zweiphasigen Abwärtswandler LTC3870. Linear

Bauteilstatus und Fehlerverhalten

Die P_GOOD-Pins unterstützen die Ereignis-basierte Sequenzierung über mehrere LTC3886 und weitere Powermanagement-ICs. Der LTC3886 unterstützt auch zeitbasierendes Sequencing.

Fehlerinformationen zu Über-/Unterspannung (OV/UV), Überstrom (OC), Übertemperatur (OT), Timing-Fehlern und fehlerhaften Spitzenströmen gibt der Schaltregler über die FAULT-Pins aus. Das Verhalten im Störungsfall ist wählbar zwischen „Ignorieren“, „Sofort abschalten und im abgeschalteten Zustand bleiben“ oder „Sofort abschalten und nach einer bestimmten Dauer Einschaltversuch wiederholen“.

Der LTC3886 erfasst Fehler, indem er kontinuierlich Telemetrie- und Fehlerzustandsdaten ins RAM schreibt und Fehlerereignisse zur späteren Diagnose im EEPROM sichert.

Bild 3b: Die rechte Schaltungshälfte eines vierphasigen 50-A-POL enthält den zweiphasigen Abwärtswandler LTC3886. Linear

Genauigkeit

Für eine Regelung und Überwachung der Versorgungsspannung in engen Toleranzen sorgen schnelle analoge Regelschleifen mit integrierten 16-Bit-A/D- sowie 12-Bit D/A-Wandlern. Die Genauigkeit der Ausgangsspannung des LTC3886 ist mit ± 0,5 % über den gesamten Betriebstemperaturbereich spezifiziert. Die Komparatoren für Über- und Unterspannung am Ausgang haben einen Temperaturfehler von unter ±2 %. Die hohe Genauigkeit der Regelung und Überwachung des LTC3886 erfordert weniger Ausgangskondensatoren, senkt die Systemkosten insgesamt und erfüllt dennoch die strengen Anforderungen an die exakte Eingangsspannung der nachgelagerten ICs.

Bild 4: Dynamische Stromaufteilung für die in Bild 3a/b dargestellte Schaltung; Lastsprung ansteigend (links) und abfallend (rechts). Linear

Parallelschaltung mehrerer Phasen

Mehrere parallelgeschaltete Phasen sind eine Option für hohe Leistungsdichte und flexible Anpassung des Leistungsbedarfs. Der LTC3886 unterstützt die Poly-Phase genannte Stromaufteilung auf bis zu sechs Phasen zwischen mehreren Bausteinen auch im Zusammenspiel mit anderen Schaltwandlertypen wie beispielsweise dem LTC3870.

In Bild 3 ist ein vierphasiger Abwärtswandler (425 kHz/50 A) dargestellt, der 48 V am Eingang auf 5 V am Ausgang wandelt und dabei einen hohen Wirkungsgrad erreicht. Die Schaltung besteht aus zwei Regelbausteinen: LTC3886 in Bild 3b und Phasenerweiterungsbaustein LTC3870 in Bild 3a.

Bild 4 zeigt die aus Bild 3 resultierende dynamische Stromaufteilung zwischen den vier Phasen.

Systemarchitekten fragmentieren gerne die Stromversorgung, um funktionale, thermische und räumliche Anforderungen zu erfüllen. Multi-Wandler-Designs mit dem LTC3886 vereinfachen solch eine Fragmentierung, weil die Leistungs- und Regelkomponenten aufteilbar sind.

Bild 5: Programmierbare Schleifenkompensierung. Linear

Die Regelschleife optimal einstellen

Über die programmierbare Schleifenkompensation des LTC3886 lassen sich die Schleifenstabilität und das Einschwingverhalten des Controllers optimal einstellen, ohne externe Komponenten austauschen zu müssen. Damit sind Streuungen von Bauteilwerten, Bestückungsänderungen in letzter Minute, Leistungsoptimierungen und Costdown-Maßnahmen schnell und einfach umsetzbar.

Zur Konfiguration der Schleifenkompensation ist der Fehlerverstärkungsfaktor g_m (Bild 5)  von 1,0 bis 5,73 µΩ einstellbar, der Kompensationswiderstand R_TH von 0 bis 62 kΩ. Bestückt werden müssen lediglich die beiden externen Kondensatoren C_TH und C_THP im üblichen Verhältnis von 1:10.

Das Einstellen von g_m ändert proportional die Verstärkung der Regelschleife über den gesamten Frequenzbereich ohne Verschiebung der Pol- und Nullstellen, eine Veränderung von R_TH hingegen verschiebt diese. Sind die Spannungs- und Strombereiche des LTC3886 einmal festgelegt, wirken sich Änderungen der Ausgangsspannung oder der Strombegrenzung nicht mehr auf die Verstärkung der Regelschleife aus. Wird die Ausgangsspannung modifiziert, entweder durch Ändern des Spannungsbefehls oder durch Margining, bleibt das Einschwingverhalten der Schaltung konstant.

Den Wirkungsgrad verbessern

Über die EXTV_CC-Pins lässt sich das Wandlerverhalten bezüglich des Wirkungsgrades optimieren. Dabei werden Ausgangsspannungen zwischen 5 und 14 V unterstützt.

Bild 6: Achtphasige LTM4676-Musterschaltung mit LTC3886-Versorgung zur Ermittlung von Wirkungsgraden. Linear

Wird der LTC3886 als Zwischenbuswandler eingesetzt, etwa um nachgelagerte POLs zu versorgen (Bild 6), kann dabei die Zwischenbusspannung auf maximalen Wirkungsgrad optimiert werden. Die Spannungs- und Strom-Telemetrie des LTC3886 ermöglicht Messungen des Systemwirkungsgrades in Echtzeit, was Voraussetzung zur Bestimmung der optimalen Zwischenbusspannung ist.

Vier LTM4676 bilden einen achtphasigen Point-of-Load-Wandler, dessen Zwischenbusstromversorgung von 9 bis 13 V von einem LTC3886 erzeugt wird. Eine Messschaltung von Linear (www.linear.com/solutions/linduino) berechnet den Über-alles-Wirkungsgrad durch Auslesen der Spannungs- und Stromwerte aller Regelbausteine über den PMBus.

Verglichen mit bisher üblichen, konstanten 12-V-Zwischenbusspannungen steigert der LTC3886 durch berechnete Busspannung den Wirkungsgrad um 6,2 % bei 10 A Last, 3,5 % bei 20 A und 1 % bei 40 A.

Kurzportrait

Unter den Power-System-Management-Controllern von Linear Technology bietet der konfigurierbare LTC3886 ein hohes Maß an Flexibilität und Leistungsfähigkeit. Er vearbeitet Eingangsspannungen bis 60 V und liefert an zwei unabhängigen Ausgängen Spannungen von 0,5 bis 13,8 V. Wichtige Ausstattungsmerkmale sind Strom- und Spannungsmessung, parametrierbare Schleifenkompensation, Überlastschutz und diverse Meldesignale. Der daignosefähige Baustein eignet sich besonders für industrielle Anwendungen, die vielseitige Anforderungen an Design, Steuerung, Überwachung, Programmierung und Genauigkeit von Stromversorgungssystemen stellen.

(jwa)