So lassen sich SoC, FPGA und Mikrocontroller sicher versorgen

Im Bereich Automobil, Industrie wie auch Tele- und Datenkommunikation kommen zunehmend fortschrittliche SoC (System-on-Chip), FPGA und Mikroprozessoren zum Einsatz. Der Energiebedarf jeder neuen Generation dieser Halbleitersysteme wächst unaufhörlich, denn immer neue Funktionen kommen hinzu und auch die Datenraten steigen an, um beispielsweise das Live-Streaming von Telekommunikations-, Audio- und Videodaten zu ermöglichen. Eine technisch wie auch wirtschaftlich effiziente Versorgung ist hier nur mit robusten, einfach anzuwendenden Niederspannungs-Stromversorgungen machbar, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad, hohe Leistungsdichte und geringe elektromagnetische Störabstrahlungen auszeichnen.

Klassische Schaltregler können nicht mehr mithalten

SoC und FPGA benötigen eine ganze Reihe von Versorgungsspannungen, wie beispielsweise 1,1 V für DDR-Speicher, 0,8 V zur Core-Versorgung und 3,3 oder 1,8 V für die I/O-Funktionen. Ist aus einem Kfz-Bordnetz mit seiner stark schwankenden Spannung oder aus einer Industrie-Busspannung eine Versorgungsspannung von unter 1 V zu generieren, sind dafür in der Regel zwei Stufen erforderlich. Jede Gleichspannungswandlung muss effizient erfolgen und den einschlägigen EMV-Standards genügen, damit das Stromversorgungs-System insgesamt die hoch gesteckten Spezifikationen der Anwender erfüllen kann.

Der Versuch, Vorgaben zur Größe, Effizienz und Störaussendung (EMI, electro-magnetic interferences) mit konventionellen Abwärtsreglern einzuhalten, ist schwierig. Buck-Regler für unter 1 V basieren traditionell auf PWM-Reglern und MOSFETs, die viel Platz benötigen und starke elektromagnetische Interferenzen erzeugen. Automobil- und Industriesysteme erfordern kompaktere effiziente Lösungen mit großer Strombelastbarkeit und extrem geringer Störaussendung. Silent-Switcher-2-Bausteine sind monolithisch aufgebaut und basieren auf Buck-Reglern der Familien LTC7150S und LT8642S von Linear. Sie sind speziell für Stromversorgungs-Anforderungen fortschrittlicher SoCs ausgelegt, weisen eine hohe Zuverlässigkeit wie auch Robustheit auf und erfüllen die scharfen Vorgaben bezüglich Größe, Störaussendung und Wärmeentwicklung.

Bild 1a: Diese für 1,2 V und 10 A ausgelegte Schaltung überzeugt durch ihr niedriges EMI-Niveau (Bild 1b). Analog Devices

Traditionelle Methoden zur Verringerung der elektromagnetischen Interferenzen sind weniger steile Schaltflanken und niedrigere Schaltfrequenzen. Beispielsweise reduziert ein Gatewiderstand oder ein Snubber die Flankensteilheit und damit die Störemission. Leider bedeutet diese Strategie die Inkaufnahme beträchtlicher Abstriche wie etwa längere Mindesteinschaltzeiten, begrenzte Spannungswandlungsverhältnisse und größere bauliche Abmessungen. Alternative Gegenmaßnahmen wie sperrige EMI-Filter oder Metall-Abschirmungen verursachen erhebliche Mehrkosten durch mehr Leiterplattenfläche, einen höheren Bauteileaufwand wie auch eine komplexere Montage. Darüber hinaus gestalten sich das Wärmemanagement und das Testen aufwendiger. Keine dieser Strategien erfüllt zudem die anspruchsvollen Forderungen der SoCs nach Kompaktheit, hoher Effizienz und geringer Emission.

Silent Switcher 2 – optimiert für minimale Emission

Bild 1b: Die Emissionen der Schaltung aus Bild 1a liegen mit Abstand unterhalb der Normgrenzwerte. Analog Devices

Als monolithischer Abwärtsregler in Silent-Switcher-2-Architektur liefert der LT8642S bis zu 18 V am Eingang ausgangsseitige 10 A und ist in einem 4 × 4 mm² großen LQFN-Gehäuse untergebracht. Bild 1a zeigt eine Schaltungsvariante, die 12 V in 1,2 V bei 10 A umwandelt. Das Diagramm in Bild 1b zeigt das niedrige Emissions-Niveau dieses Schaltreglers. Mit nur einer Ferritperle und einem Kondensator als eingangsseitiges Entstörfilter erfüllt der LT8642S mit Abstand die strengen Vorgaben der verbreiteten Automobil-Norm CISPR 25 Klasse 5 für abgestrahlte elektromagnetische Störgrößen. Bei Konsumelektronik-Herstellern kommt häufig die CISPR 32 zur Anwendung. Selbst ohne eingangsseitiges EMI-Filter erfüllt der LT8642S problemlos die Normvorgaben der CISPR 32 Klasse B für elektromagnetische Störaussendung.

Als erster Baustein seiner Art hat der hocheffiziente 20-A-Abwärtsregler LTC7150S die Silent-Switcher-2-Technologie mit geringer Emission integriert. Hierdurch vereinfacht sich das Design und Layout der Enstörfilter erheblich, und es entstehen ideale Voraussetzungen für den Einsatz in störsensiblen Umgebungen. Integrierte Hot-Loop-Kondensatoren und Leistungs-MOSFETs verringern zudem unerwünschte als Antennen wirkenden Strukturen und senken so die Emission deutlich.

Symmetrisch geteilte Hot-Loops kompensieren Magnetstreufelder

Bild 2: LTC7150S mit eingangsseitigem Entstörfilter. Analog Devices

Ein minimiertes Überschwingen in steilflankigen Schaltvorgängen der MOSFETs (Ringing) vermeidet hochfrequente Störungen und verringert damit die in den Hot Loops oszillierende Energie. Überdies ist der Laststrompfad zweigeteilt und symmetrisch angeordnet, damit sich insbesondere die magnetischen Störgrößen gegenseitig aufheben. Das Resultat ist eine störungsarme Stromversorgung für sensible Umgebungen im Automobilbereich, wo leistungsfähige SoCs in Fahrassistenzsystemen und autonomen Fahrsystemen zum Einsatz kommen. Das Silent-Switcher-2-Konzept erfüllt auch die Anforderungen von Telekommunikations-, Verkehrs- und Industriesystemen, welche hocheffiziente und störungsarme Stromversorgungen für die nächste Generation von SoCs, CPUs und Mikroprozessoren benötigen.

Bild 3: Störaussendung des LTC7150S aus Bild 2. Analog Devices

Der LTC7150S hält die Grenzen der Norm CISPR 25 für die maximale elektromagnetische Störaussendung ein und benötigt hierfür nur ein einfaches, am Eingang angeordnetes EMI-Filter (Bild 2). Es handelt sich dabei um ein einfaches Filter mit einer Ferritperle. Bild 3 zeigt das Ergebnis des Tests auf elektromagnetische Störaussendung gemäß CISPR 25 – selbst der Spitzenwert liegt unterhalb der Grenzwertvorgaben.

Parallelschaltung für höhere Ausgangsströme

Fortschrittliche Funktionen wie autonomes Fahren oder selbstständiges Einparken verlangen nach leistungsfähigeren SoCs zur Implementierung von visuellen Inhalten als Live-Stream oder zur Realisierung von künstlicher Intelligenz. Ähnlich ist es bei Rechner- und Serversystemen in Telekommunikations- und Big-Data-Installationen. Diese sind heute ebenfalls mit Hochleistungs-SoC-Lösungen ausgestattet, die mehr Energie benötigen als je zuvor. Für Prozessorsysteme, die über 20 A aufnehmen, lassen sich mehrere LTC7150S parallelschalten und phasenversetzt betreiben.

Bild 4: Parallelschaltung zweier Regler des Typs LTC7150S zur Anhebung des Ausgangsstroms auf 40 A. Analog Devices

Der LTC7150S besitzt eine Sync-Funktion zur Synchronisation auf einen externen Takt, und die eingebaute PLL-Stufe (Phase-Locked Loop) ermöglicht einen phasenversetzten Betrieb mehrerer Bausteine zur Verringerung der Welligkeit. Die Verbindung des CLKOUT-Ausgangs mit dem MODE/SYNC-Pin des nächsten LTC7150S bewirkt eine Abstimmung des gesamten Systems bezüglich Frequenz und Phasenlage. Der PHMODE-Pin steuert den Mehrphasen-Betrieb. Verbunden mit dem Pin INTV_CC oder SGND, oder auch unbeschaltet, entstehen Phasendifferenzen von 180°, 120° oder 90° zwischen dem am MODE/SYNC-Pin angelegten und dem an CLKOUT ausgegebenen Takt, um damit einen zwei-, drei- oder vierphasigen Betrieb zu ermöglichen. Durch Programmierung der PHMODE-Pins der einzelnen LTC7150S auf jeweils andere Spannungswerte lassen sich Insgesamt bis zu 12 Kanäle phasenversetzt zueinander betreiben.

Phasenversetzer Schaltbetrieb verringert die Restwelligkeit

Bild 5: Wirkungsgrad der 40-A-Paralellschaltung aus Bild 4. Oberhalb von 20 A ist ein Dauerlastbetrieb weniger effizient. Analog Devices

In Bild 4 ist eine Konfiguration aus zwei parallelgeschalteten Wandlern zu sehen, die bei 1,2 V einen Ausgangsstrom von 40 A liefern. Der Takt am Pin CLKOUT des oberen Bausteins (Master) dient zur Synchronisation des Slaves am Pin MODE/SYNC des unteren Bausteins. Der PHMODE-Pin des Masters ist an Masse gelegt, während der PHMODE-Pin des Slaves unbeschaltet bleibt. Dies sorgt für eine Phasendifferenz von 180° zwischen beiden Kanälen und reduziert die Welligkeit des Eingangsstroms.

Für eine bessere Stromaufteilung während des Hochlaufens und im statischen Zustand sind die Anschlüsse ITH, FB und TRACK/SS miteinander verbunden, was zusätzliche RT-Widerstände erfordert, die jedoch nicht miteinander verbunden sein sollten. Im Interesse einer präzisen Rückkopplung und einer hohen Störbeständigkeit wird die Verwendung einer Kelvin-Verbindung empfohlen. In der Nähe der Masse-Pins sind möglichst viele Stromversorgungs-Vias zur unteren Lage zu platzieren, um die thermischen Eigenschaften zu verbessern. Die Keramik-Kondensatoren der eingangsseitigen Hot Loops sollten sich in unmittelbarer Nähe der V_IN-Pins befinden. Der Wirkungsgrad der Schaltung aus Bild 4 ist in Bild 5 zu sehen. Stromspitzen bis 40 A kann diese Schaltung gut leisten, für einen Dauerstrombetrieb oberhalb von 20 A ist der Wirkungsgrad schlechter.

Hocheffiziente, kompakte Lösungen durch hohe Schaltfrequenzen

Bild 7: Dieser 50-W-Schaltregler benötigt sehr wenig Beschaltung und erreicht durchgängig mehr als 95 % Wirkungsgrad. Analog Devices

Die Silent-Switcher-2-Architektur ermöglicht nicht nur eine herausragende EMI-Performance in LT8642S-Anwendungen, sondern sorgt auch für schnelle und saubere Schaltflanken, was die Schaltverluste reduziert. Geringe Schaltverluste führen in Verbindung mit einer minimalen Einschaltzeit von nur 20 ns einen hohen Wirkungsgrad bei hoher Schaltfrequenz und sparen Bauraum im Layout. Zum Beispiel kann ein LT8642S bei 2 MHz Schaltfrequenz 12 V auf 1,2 V herabsetzen und dabei auf einen Wirkungsgrad von mehr als 86 % kommen. Darüber hinaus lässt sich der LT8642S im Überlastungs- oder Kurzschlussfall problemlos mit gesättigter Spule betreiben, was seiner schnellen Peak-Current-Mode-Architektur zu verdanken ist. Die Auswahl der Spule erfolgt gemäß der benötigten Ausgangsleistung.

Bei Stromversorgungs-Lösungen steht die Forderung nach Kompaktheit meist im Widerspruch zu den thermischen Eigenschaften. Mit seinem hohen Wirkungsgrad und dem thermisch optimierten Gehäuse kann der LT8642S dieses übliche Dilemma überwinden. In Bild 7 ist eine für 5 V und 10 A ausgelegte LT8642S-Schaltung zu sehen, deren Schaltfrequenz 1 MHz beträgt. Bei 12 V Eingangsspannung nimmt die Gehäusetemperatur des LT8642S um weniger als 47 °C zu, während die Ausgangsleistung 50 W beträgt. Die maximale Effizienz liegt bei über 97 %.

Tabelle 1: Eine exemplarische Auswahl emissionsarmer monolithischer Schaltregler mit hohem Ausgangsstrom. Analog Devices

Eine mit 3 MHz getaktete sparsame Beschaltung des LT8642S minimiert die Schaltungsabmessungen, da eine kleine Spule ausreicht und ein Ausgangskondensator mit geringerer Kapazität genügt. Enable-Anschluss, Power-Good-Indikator und Softstart-Funktion stehen dem Power-Sequencing von SoC- und FPGA-Stromversorgungen zur Verfügung.

In jeder Hinsicht gute Eigenschaften

Die Forderung nach mehr Intelligenz, Automatisierung und Sensorik im Industrie- und Automotive-Bereich gehen auch mit immer leistungsfähigeren Stromversorgungen einher. Geringe Störaussendung haben hierbei höchste Priorität. Ebenso wichtig sind kleine Designabmessungen, hohe Wirkungsgrade, geringe Wärmeentwicklung, sowie Robustheit und eine einfache Anwendung. Die monolithischen Regler von ADI (Tabelle 1) bieten in jeder Hinsicht sehr gute Eigenschaften und erfüllen die Anforderungen von Anwendern im Automobil-, Telekommunikations-, Datenverarbeitungs- und Industriebereich.

(jwa)