Bild 1: Vierphasen-Abwärtswandler mit DrMOS, VIN = 12 V, VOUT = 0,9 V/120 A, fSW = 500 kHz.

Bild 1: Vierphasen-Abwärtswandler mit DrMOS, VIN = 12 V, VOUT = 0,9 V/120 A, fSW = 500 kHz.Linear Technology

Die ständig steigende funktionelle Komplexität elektronischer Produkte, verbunden mit dem Wunsch nach höherer Rechengeschwindigkeit der Mikroprozessoren und dem Streben nach umweltfreundlicher Elektronik, resultiert in strengen Anforderungen an die Stromversorgungen. Versorgungen mit hohen Strömen müssen mit einem Spitzenwert an Wirkungsgrad arbeiten. Um Leitungsverluste zu minimieren, werden die Stromversorgungen näher an den Verbraucher platziert und auf einer Baugruppe werden mehrere Leistungsstufen verwendet. Einzelne Leistungsstufen mussten in ihren Ausmaßen schrumpfen, um auf die verfügbare Leiterplattenfläche zu passen. Um die beste Leistung pro Leiterplattenfläche zu erzielen, müssen die Controller mit externen Leistungsstufen arbeiten wie Leistungsbauteile, DrMOS oder externe Gate-Treiber mit MOSFETs.

Auf einen Blick

Der Spannungsmodus-Regler/Controller LTC3861 kann Strom sehr genau auf bis zu zwölf Phasen parallel verteilen. Da er einen PWM-Ausgang mit drei Zuständen hat, anstatt eines eingebauten Gate-Treiberausgangs, kann er weiter entfernt von Pfaden platziert werden, die hohen Strom führen. Weil die Ausgangsspannung differenziell gemessen wird, beeinflussen Offsets zwischen der Masse der Versorgung und der Masse des Controllers die Lastregelung nicht.

Der LTC3861 verwendet eine Spannungsmodus-Architektur mit konstanter Frequenz, kombiniert mit einem geringem Offset, Fehlerverstärker mit hoher Bandbreite und einem differenziellen Remote-Ausgangsmessverstärker pro Kanal, um ein hervorragendes Einschwingverhalten und eine ebensolche Ausgangsregelung zu erreichen. Die Differenz- und Fehlerverstärker haben eine Verstärkungsbandbreite von 40 MHz, die hoch genug ist, um die Kompensation der Hauptregelschleife und das Anlaufverhalten zu beeinflussen, besonders dann, wenn keramische Ausgangskondensatoren mit kleinem Ersatzreihenwiderstand ESR (equivalent series resistance) eingesetzt werden, um die Brummspannung des Ausgangssignals zu minimieren. Die differenziellen Verstärker messen die widerstandsmäßig geteilte Spannung differenziell über den vollen Ausgangsbereich von 0,6 V bis VCC – 0,5 V, was sicherstellt, dass der LTC3861 die aktuelle Ausgangsspannung erkennt, unabhängig von allen Offsets zwischen der Masse der Stromversorgung und der Masse des Controllers.

Bild 2: Stromverteilung zwischen den vier Phasen mit veränderlichem Laststrom.

Bild 2: Stromverteilung zwischen den vier Phasen mit veränderlichem Laststrom.Linear Technology

In einer Regelschleife im Spannungsmodus wird der Ausgang des Fehlerverstärkers mit einer Sägezahnrampe verglichen, die den Arbeitstakt des Wandlers direkt steuert. Die Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers hängt vom Wert des Fehlersignals ab, zwischen der differenziell gemessenen Ausgangsspannung und der Referenzspannung des Verstärkers. Die 600-mV-Referenz hat einen Fehler von ±0,75 % im Temperaturbereich von 0 °C bis 85 °C. Dies, kombiniert mit dem geringen Offset des Verstärkers, garantiert eine Ungenauigkeit der Ausgangsregelung von ±1,3 % über den Temperaturbereich von -40 bis 125 °C.

Bild 3: Wärmebild bei 0,9 V/120 A, 400 FPM, fSW = 500 kHz.

Bild 3: Wärmebild bei 0,9 V/120 A, 400 FPM, fSW = 500 kHz.Linear Technology

Der LTC3861 erzielt hervorragende Werte beim Leitungseinschwingverhalten, da er eine vorwärtsgekoppelte Ausgleichsmethode benutzt, die den Arbeitstakt sofort abgleicht, um Änderungen der Eingangsspannung auszugleichen, was ein Über- und Unterschwingen des Ausgangs deutlich reduziert. Diese Methode macht die DC-Schleifenverstärkung unabhängig von der Eingangsspannung. Der Regler hat eine minimale Ein-Zeit von 20 ns, die für Abwärtswandler mit hohen Wandelverhältnissen geeignet ist, die mit hohen Frequenzen arbeiten. Die Arbeitsfrequenz ist über einen Widerstand zwischen 250 kHz und 2,25 MHz programmierbar, oder kann mit einem externen Takt mit einer integrierten PLL synchronisiert werden.

Strom auf mehrere Phasen aufteilen

Bild 4: Wirkungsgrad des 0,9 V/120 A Vierphasenwandlers.

Bild 4: Wirkungsgrad des 0,9 V/120 A Vierphasenwandlers.Linear Technology

Der Controller ermöglicht den Gebrauch eines Fühlwiderstands oder das verlustlose DCR-Strommessen, um die Ausgewogenheit des Stroms zwischen den Phasen zu erhalten und einen Überstromschutz zu liefern. Im Mehrphasenbetrieb enthält der LTC3861 eine Hilfsregelschleife für die Stromaufteilung, die aktiviert wird, wenn man den FB-Pin konfiguriert und einen externen Kondensator an den IAVG-Pin anlegt. Die Spannung am IAVG-Pin korrespondiert mit dem unmittelbaren Durchschnittsstrom der Master-Phase. Jede Slave-Phase integriert den Unterschied seines Spulenstroms und dem des Masters. Ein mit dem ILIM-Pin verbundener Widerstand setzt die positive und negative Schaltschwelle für den Überstromschutzkomparator. Die maximale Fehlanpassung der Strommessung zwischen den Phasen beträgt ±1,25 mV über den Temperaturbereich von -40 bis 125 °C.

Leistungsfähigkeit der Schaltung

Bild 5: Brummspannung im Dauerzustand.

Bild 5: Brummspannung im Dauerzustand.Linear Technology

Bild 1 zeigt einen verlustleistungsarmen vierphasigen Abwärtswandler mit 12 V bis 0,9 V/120 A und einer Widerstandsmessung kleiner Ströme (DCR). In dieser Schaltung wird eine Spule mit einem Gleichstromwiderstand von 0,45 mOhm verwendet. Die Ungenauigkeit der Stromaufteilung zwischen den vier Phasen bei voller 120-A-Last beträgt ±2,15 %. Bild 2 zeigt die Stromaufteilung zwischen den Phasen als eine Funktion des veränderlichen Laststroms.

Bild 3 zeigt ein Wärmebild bei 120 A Last und der heißeste Bereich tritt an den MOSFETs an Kanal 2 und 3 auf. Der Wirkungsgrad bei der Volllast von 120 A liegt bei 86 %, wie in Bild 4 dargestellt. Bild 5 zeigt die Spannungswelligkeit im Beharrungszustand von ungefähr ±0,3 % der Ausgangsspannung. Die Analyse von Lastspitzen wurde durchgeführt indem man die Last schrittweise von 75 % auf Volllast erhöhte. Dies resultierte von 90 A bis 120 A in einem Lastschritt von 30 A. Das Spannungsüber- und -unterschwingen von Spitze zu Spitze bei einem Lastschritt war 60 mV, was rund ±3,3 % der Ausgangsspannung entspricht.

Bild 6: Einschwingverhalten bei einem 30-A-Lastschritt von 90 A auf 120 A.

Bild 6: Einschwingverhalten bei einem 30-A-Lastschritt von 90 A auf 120 A.Linear Technology

Der LTC3861 arbeitet mit einem Gate-Treiber LTC4449 an DrMOS, Leistungsblöcken und externen MOSFETs. Er wird in Leistungssystemen mit hohen verteilten Strömen, DSPs, FPGA- und ASIC-Versorgungen, Datenkommunikations- und Telecom-Systemen sowie Stromversorgungen in industriellen Applikationen eingesetzt. Der LTC3861 wird in einem QFN-Gehäuse mit 36 Pins und 5 mm x 6 mm Kantenlänge geliefert. Darüber hinaus ist der LTC3861-1 ein Pin-kompatibler direkt austauschbarer Ersatz für den LTC3860, der in einem QFN-Gehäuse mit 32 Pins und 5 mm x 5 mm Kantenlänge erhältlich ist.