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Bild 1: Die dynamischen Betriebsarten eines Intel-Prozessors resultieren in unterschiedlichen Lastströmen für mehrphasige Abwärtswandler.
Bild 2: Verschiedene Kombinationen von Ausgangskondensatoren und ZOUT-Werten eines mehrphasigen Wandlers zur Versorgung eines Mikroprozessors
Bild 3: Trapezförmiges Lastprofil und das zugehörige Spektrum
Bild 4: 10-kHz-Lastsprünge um 225 A mit hoher und geringer Anstiegsgeschwindigkeit
Bild 5: Impedanz-Frequenz-Kurven verschiedener Kondensatortypen
Bild 6: Vereinfachtes Stromverteilungs-Netzwerk eines mehrphasigen Abwärtswandlers
Bild 7: Vergleich der Ausgangsimpedanzen zweier Designbeispiele
Bild 8: Verhalten zweier Designbeispiele bei zyklischen Lastwechseln mit 10 kHz. 
Designbeispiel: (a) mit 225 A bei 450 A/µs, (b) mit 225 A bei 22,5 A/µs

Bis dato gibt es keine eindeutigen Designrichtlinien dafür, wie sich anhand der Lastwechsel-Profile die richtige Kombination aus unterschiedlichen Arten von Ausgangskondensatoren zusammenstellen lässt. Hier hilft der vorliegende Artikel, der erläutert, wie die für hohe Lastsprung-Geschwindigkeiten erforderliche Performance durch unterschiedliche Arten von Ausgangskondensatoren beeinflusst wird, um zu einer optimalen Lösung zu kommen.

Bild 1 illustriert die Lastsprung-Profile eines Intel-Prozessors unter verschiedenen Einsatzbedingungen. Die wechselnden Lastfrequenzen und hohen Last-Anstiegsgeschwindigkeiten erfordern normalerweise hochfrequenztaugliche Entkopplungskondensatoren für einen mehrphasigen Abwärtswandler (Bild 2). Bei einem traditionellen Designkonzept lässt sich die benötigte Gesamt-Ausgangskapazität grob daran abschätzen, welche Anforderungen bezüglich der Überschwinger zu erfüllen sind. Allerdings sind die verschiedenen Kondensatortypen durch unterschiedliche effektive Serienwiderstände (ESR), Kosten und Abmessungen gekennzeichnet, sodass eine Vielzahl unterschiedlicher Implementierungen in Frage kommt, die zwar dieselbe Kapazität ergeben, sich aber in ihrer Leistungsfähigkeit unterscheiden.

Frequenzanalyse eines Lastprofils mit unterschiedlichen Last-Anstiegsgeschwindigkeiten

Mit einem trapezförmigen Lastprofil lassen sich die Lastströme eines Mikroprozessors während des Betriebs emulieren (Bild 3). Werden Fourier-Transformationen auf den trapezförmigen Laststromverlauf angewendet, kann das Profil mithilfe von Gleichung 1 ausgedrückt werden. Das entsprechende, in Bild 3b dargestellte Spektrum zeigt, dass es neben der Grundschwingung der Last noch eine Vielzahl von Oberschwingungen gibt. Diese werden durch die unterschiedlichen Lastfrequenzen, Tastverhältnisse und Anstiegsgeschwindigkeiten hervorgerufen und können abhängig von der Ausgangsimpedanz bei hohen Frequenzen zusätzliche Spannungsabweichungen während der Laständerungen erzeugen.

601 Gleichung 1 SLYT766_Eqn1

In Bild 4a sind zwei Lastprofile dargestellt, die die gleiche Lastfrequenz (10 kHz) und ein identisches Tastverhältnis (50 Prozent) aufweisen, sich allerdings in ihren Anstiegsgeschwindigkeiten unterscheiden (450 A/µs beziehungsweise 22,5 A/µs). Auf der Basis von Gleichung 1 gibt Bild 4b die Spektren der beiden Lastprofile wieder. Wie an den Kurven zu sehen ist, werden die hochfrequenten Oberschwingungen bei der geringeren Anstiegsgeschwindigkeit gut gedämpft, was an einer zweiten Polstelle bei einer niedrigeren Frequenz liegt.

Thema der nächsten Seite ist die Auswahl der Ausgangskondensatoren anhand der Ausgangsimpedanz

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