Linear Technology Powermanagement für digitale Hochleistungs-ICs

Durch den Trend zu digitalen Hochleistungs-ICs wie FPGAs und Mikroprozessoren steigt auch der Strom bei gleichzeitig kleineren Betriebsspannungen. Dies bringt etliche Herausforderungen für das Power-Management mit sich. Traditionelle Stromversorgungskomponenten haben da keine Chance mehr.

von Steve Knoth, ist Senior Product Marketing Engineer im Bereich Power Products bei Linear Technology, ein Geschäftsbereich von Analog Devices.

Der Umsatz für digitale ICs mit geringen Versorgungsspannungen und hohen Strömen lag im Jahr 2016 bei 9,2 Mrd. US-Dollar, Tendenz steigend (Quelle: Intense Research). Solche ICs umfassen Mikrocontroller und -prozessoren, programmierbare Logikbausteine, DSPs, ASICs und Grafikprozessoren. Allein im Teilbereich der FPGAs betrug der Umsatz im Jahr 2014 etwa 3,92 Mrd. US-Dollar, und er soll mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 7,41 % auf 7,23 Mrd. US-Dollar im Jahr 2022 anwachsen (Quelle: marketsandmarkets.com). 

Digitale ICs mit hoher Performance sind heute praktisch in jedes eingebettete System vorgedrungen. FPGAs beispielsweise erlauben richtungsweisende Anwendungen wie Fahrerassistenz- und Antikollisionssysteme, um menschliches Versagen zu korrigieren. Darüber hinaus erfordern von den Regierungen vorgeschriebene Sicherheitsfunktionen wie Antiblockiersysteme, Stabilitätskontrolle und unabhängige elektronisch gesteuerte Federungssysteme den Einsatz solcher Komponenten. Der Bereich der Unterhaltungselektronik, die Nachfrage beim Internet der Dinge (IoT), die M2M-Kommunikation und das vermehrte Aufkommen von Datenzentren und Serverfarmen, die von der Nachfrage nach großen Datenspeichern und Cloud-Computing getrieben werden, sind einige weitere Faktoren, die den FPGA-Markt beflügeln.

Doch FPGAs und ASICs stellen ganz besondere Anforderungen an die Stromversorgung. Drei Faktoren stehen im Mittelpunkt: hoher Strom, niedrige Spannung und schnelles Einschwingverhalten. Aber diese Liste endet dort nicht. Weiter Anforderungen sind eine gute Störspannungsunterdrückung (Power Supply Rejection Ratio, PSRR) sowie eine geringe Restwelligkeit am Ausgang. So kann ein Baustein mit einem hohen PSRR eingangsseitiges Rauschen wesentlich einfacher filtern, sodass die Ausgangsspannung sauber und stabil ist.

Weiterhin ist ein Baustein mit einer niedrigen Ausgangswelligkeit über eine große Bandbreite vorteilhaft bei den heutigen niedrigen Spannungspegeln, bei denen die Rauschempfindlichkeit ein wichtiger Faktor ist. Da die Geschwindigkeitsanforderungen für High-End-FPGAs steigen, sinkt die Toleranz auf Transienten der Versorgungsspannung ebenfalls, um Bitfehler zu minimieren. Diese durch Rauschen eingebrachten Fehler können den effektiven Datendurchsatz drastisch reduzieren. Eine weitere Herausforderung sind die extremen Lastsprünge. So kann der Laststrom zyklisch in einigen zehn bis hundert Nanosekunden von nahezu Null auf einige Ampere schalten. Daher muss die Stromversorgung extrem schnell einschwingen.

Schaltregler, Ladungspumpen oder LDOs? 

Niedrige Spannungen und hohen Strömen lassen sich mit einer ganzen Reihe von unterschiedlichen Methoden wandeln und regeln, die jedoch jeweils vielfältige Kompromisse beim Design erfordern. So arbeiten Schaltregler-ICs mit einem hohen Wirkungsgrad bei hohen Strömen über einen weiten Bereich von Spannungen, benötigen zum Betrieb jedoch externe Komponenten wie Spulen und Kondensatoren sowie eventuell externe MOSFETs. Auch haben sie Probleme bei Störungen durch Rauschen und Einkopplungen, ein recht langsamem Einschwingverhalten sowie Einschränkungen beim Platinenlayout.

Ladungspumpen kommen ohne Induktivitäten aus und können ebenfalls eine niedrige Spannung wandeln. Allerdings sind sie in ihrem Ausgangsstrom begrenzt und haben ein langsames Einschwingverhalten. Zudem erfordern sie im Vergleich zu Linearreglern mehr externe Komponenten. Folglich sind Ladungspumpen als Stromversorgung von digitalen ICs üblicherweise nicht zu finden.

Linearregler und besonders LDOs wiederum sind einfach, da sie im Idealfall nur zwei externe Kondensatoren für den Betrieb benötigen. Jedoch kann ihre Leistungsabgabe begrenzt sein, abhängig von der Höhe des Spannungsunterschieds zwischen deren Ein- und Ausgang und wie viel Strom die Last benötigt, plus dem thermischen Widerstand des Gehäuses. Dies schränkt Einsatz von LDOs zur Stromversorgung digitaler ICs ein. Doch dank neuerer Entwicklungen bei monolithischen High-Power-Schaltreglern, könnte sich dies nun ändern. 

Die Leiterplattenfläche, die für die Stromversorgung reserviert ist, schrumpft stetig. Somit ist klar, dass ein monolithischer Schaltregler mit hoher Schaltfrequenz die Abmaße der externen Komponenten und damit auch die Abmaße der gesamten Lösung reduziert. Erkauft wurde dies bislang mit einem etwas geringen Wirkungsgrad wegen der Schaltverluste bei höheren Frequenzen.

Eine neue Generation von monolithischen Schaltreglern bietet nun einzigartige Eigenschaften, die die Schaltverluste selbst bei höheren Frequenzen signifikant reduzieren. Durch den synchronen Betrieb mit integrierten High-Side- und Low-Side-Schaltern lassen sich deren Gate-Spannungen besser regeln, was wiederum die Totzeiten stark reduziert und damit in einem höheren Wirkungsgrad im Betrieb resultiert.

Eine der größten Herausforderungen bei monolithischen High-Power-Schaltreglern besteht darin, die Verlustwärme aus dem IC gut abzuleiten. Dies wird mit thermisch verbesserten BGA-Gehäusen gelöst, bei denen die Mehrheit der Lötbälle als Power-Pins festgelegt ist, sodass sich die entstehende Wärme einfach aus dem IC auf die Leiterplatte abführen lässt. Großflächige Kupferleitungen auf der Leiterplatte können die Wärme dann weiter verteilen.

Es ist klar, dass ein Abwärtswandler, der diese hier genannten Probleme löst, folgende Eigenschaften aufweisen muss: 

  • eine hohe Schaltfrequenz reduziert die Abmaße externer Komponenten;
  • ein Design mit möglichst niedriger Totzeit erhöht den Wirkungsgrad;
  • monolithisch integrierte Leistungsbausteine verkleinern die Abmaße der Lösung;
  • synchroner Betrieb erhöht den Wirkungsgrad und reduziert die Verluste;
  • einfache Entwicklung mit möglichst wenigen externen Komponenten,
  • sehr geringe Ausgangswelligkeit,
  • schnelles Einschwingverhalten,
  • Betrieb über einen weiten Bereich an Ein-/Ausgangsspannungen,
  • Fähigkeit, hohen Ausgangsstrom zu liefern,
  • exzellentes thermisches Verhalten,
  • kompakte Abmaße.