Bild 4: LTC7150S Schaltplan (links) und Wärmebild (rechts) für 5-V-Eingang bis 0,85-V-/20-A-Ausgang mit fSW = 2MHz. (Bild: Analog Devices)
Der Leistungsbedarf von fortschrittlichen SoC-Lösungen (System-on-Chip) für Industrie- und Automotive-Systeme steigt kontinuierlich. Jede neue SoC-Generation enthält zusätzliche leistungshungrige Schaltungen und verlangt höhere Datenverarbeitungsgeschwindigkeiten. SoC-Lösungen benötigen zuverlässige Versorgungsspannungen wie etwa 0,8 V für Cores, 1,2 und 1,1 V für DDR3- und LPDDR4-Memory oder 5, 3,3 und 1,8 V für Peripherie- und Zusatzkomponenten.
Eckdaten
SoC-Lösungen in Anwendungen des IoTs oder der Industrie benötigen eine zuverlässige Versorgungsspannung. Zudem sind die Anforderungen an die SoCs bezüglich Leistungsfähigkeit, Platzanforderungen und Stromstärke hoch. Zugleich dürfen Entwickler Wirkungsgrad sowie EMV-Eigenschaften nicht vernachlässigen. Aktuelle Abwärtswandler kommen diesen Anforderungen nach.
Darüber hinaus müssen fortschrittliche SoC-Lösungen leistungsfähiger sein als herkömmliche PWM-Controller und MOSFETs. Die notwendigen Lösungen müssen daher nicht nur kompakter sein und höhere Ströme liefern, sondern auch einen besseren Wirkungsgrad bieten und insbesondere überlegene EMV-Eigenschaften zeigen.
An dieser Stelle kommen die monolithischen Abwärtsregler Silent-Switcher-2 der Marke Power by Linear von Analog Devices (ADI) ins Spiel, die den Leistungsbedarf von SoC-Lösungen decken und zugleich die Anforderungen hinsichtlich Abmessungen und thermischer Beanspruchung erfüllen können.
20-A-Lösung für SoCs von bis zu 20 V am Eingang
Bild 1: Blockschaltung (links) und Wirkungsgrad (rechts) des Abwärtswandlers: 12VIN nach 1,2VOUT bei 20A. Analog Devices
Bei dem LTC7150S handelt es sich um einen Abwärtsregler für Industrie- und Automotive-Anwendungen. Das Bauteil bietet einen hohen Wirkungsgrad, ist in einem kleinen Formfaktor erhältlich und zeichnet sich durch seine guten EMV-Eigenschaften aus. Integrierte Hochleistungs-MOSFETs und vorteilhafte thermische Eigenschaften ermöglichen, dass der LTC7150S bei Eingangsspannungen von bis zu 20 V ohne Luftstrom oder Kühlkörper Dauerströme von bis zu 20 A liefern kann. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich der LTC7150S zur Versorgung von SoCs, FPGAs, DSPs, GPUs und Mikroprozessoren in Industrie-, Transport- und Automotive-Anwendungen.
Der LTC7150S in Bild 1 liefert eine Ausgangsspannung von 1,2 V zur Versorgung von SoCs und CPUs und arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 1 MHz. Die Schaltung lässt sich leicht modifizieren, um andere Ausgangsspannungen, wie zum Beispiel 3,3, 1,8, 1,1 und 0,6 V, zu erhalten und somit den großen Eingangsspannungsbereich des Bauteils zu nutzen.
Aufgrund seiner hohen Ausgangsströme lässt sich der LTC7150S als erste Stufe einer 5-V-Versorgung einsetzen. Dieser Stufe können Entwickler dann mehrere Schalt- oder LDO-Regler einer zweiten Downstream-Stufe mit verschiedenen Ausgängen nachschalten.
Silent-Switcher-2 mit guten EMI-Verhalten
Bild 2: Blockschaltung des Abwärtswandlers mit den Werten VIN = 14V, VOUT = 1V, 20A, fSW = 400kHz. Analog Devices
Um EMI-Bestimmungen bei hohen Strömen nachzukommen, müssen Anwendungen normalerweise hohe Anforderungen bezüglich Entwicklung und Test erfüllen. Dazu zählen zahlreiche Kompromisse bei Abmessungen, Effizienz, Zuverlässigkeit und Komplexität. Herkömmliche Ansätze steuern die elektromagnetischen Störemissionen (EMI) durch Verlangsamung der MOSFET-Schaltflanken oder Reduzierung der Schaltfrequenz.
Beide Strategien erfordern Kompromisse, wie etwa niedrigerer Wirkungsgrad, erhöhte minimale Ein- und Aus-Zeiten sowie größere Abmessungen. Alternative Techniken zum Abschwächen von elektromagnetischen Störemissionen, zum Beispiel sperrige EMI-Filter oder Metallabschirmungen, verursachen nicht nur Zusatzkosten bezüglich Leiterplattengröße, Bauteilen und Bestückung, sondern erschweren auch Wärmemanagement und Tests.
ADIs proprietäre Silent-Switcher-2-Architektur minimiert die Fläche emissionsverursachender Stromschleifen (Hot Loops) mithilfe von internen Eingangskondensatoren, wodurch sich die Antennengröße und somit auch Störemissionen reduzieren lassen. In Verbindung mit integrierten MOSFETs reduzieren sich Ringing beim Schalten sowie die in den Hot Loops gespeicherte Energie. Das ist selbst bei sehr steilen Schaltflanken der Fall.
Bild 3: Abgestrahlte EMI der Schaltung in Bild 2. Analog Devices
Das Ergebnis ist ein außergewöhliches EMI-Verhalten bei zugleich minimierten AC-Schaltverlusten. Silent-Switcher-2-Technologie ist im LTC7150S integriert, um elektromagnetische Störemissionen zu minimieren und eine hohe Effizienz zu erreichen. Dadurch vereinfachen sich das EMI-Filterdesign sowie das Layout und das Bauteil eignet sich für den Einsatz in rauschempfindlichen Umgebungen. Der LTC7150S hält die Grenzwerte nach CISPR 22 und CISPR 32 mit einem vorgeschalteten EMI-Filter ein. Bild 3 zeigt die elektromagnetischen Störemissionen bei Tests nach EMI CISPR 22.
Hohe Frequenz und Effizienz auf kleinem Raum
Integrierte MOSFETS, integrierte Hot-Loop-Entkopplungskondensatoren und interne Kompensationsschaltungen vereinfachen auf Basis von ADIs Silent-Switcher-Architektur die Systementwicklung und minimieren die Abmessungen der Lösung.
Dank effizienter Leistungswandlung liefert der LTC7150S hohe Ströme ohne zusätzliche Kühlkörper oder Luftzufuhr. Im Unterschied zu anderen Lösungen lassen sich geringe EMI und hohe Effizienz beim Betrieb mit hoher Frequenz erreichen und der Einsatz von kleinen passiven Bauteilen sicherstellen.
Die 2-MHz-Lösung in Bild 4 nutzt eine kleine Spule mit 72 nH sowie Keramikkondensatoren mit kleinen Abmessungen und eignet sich für FPGA- und Mikroprozessor-Anwendungen.
Schlussbemerkung
Bild 4: LTC7150S Schaltplan (links) und Wärmebild (rechts) für 5-V-Eingang bis 0,85-V-/20-A-Ausgang mit fSW = 2MHz. Analog Devices
Die Nachfrage nach mehr Intelligenz, Automatisierung und Sensorik in Industrie- und Automotive-Umgebungen führen zu einer Zunahme von Elektroniksystemen, die den Einsatz von Stromversorgungen mit zunehmend anspruchsvolleren Leistungsdaten verlangen. Geringe EMI hat sich von einer nachträglichen Überlegung zu einer wesentlichen Anforderung an Stromversorgungen entwickelt – zusätzlich zu Kriterien wie Abmessung der Lösung, hohe Effizienz, Wärmewirkungsgrad, Robustheit und einfache Handhabung.
Der LTC7150S erfüllt mithilfe der Silent-Switcher-2-Technologie hohe EMI-Anforderungen bei kompakter Grundfläche. Integrierte MOSFETs und besondere Eigenschaften bezüglich Wärmemanagement ermöglichen zuverlässige Dauerströmen von bis zu 20 A bei Eingangsspannungen bis 20 V und Schaltfrequenzen bis 3 MHz.
Zhongming Ye
(prm)
