MOSFET-Treiber Ganzheitliche Lösung für höheren Systemwirkungsgrad

Infineon hat im Server-Bereich den Fokus auf die MOSFET-Technologie erweitert und setzt auf ganzheitliche Lösungen. Mit dem Systemansatz – Leistungswandler mit entsprechendem Treiber und Controller – können Entwickler einen höheren Systemwirkungsgrad erzielen sowie neue Funktionen realisieren.

Die aktuellsten CPUs für Server haben ein neues Maß an Komplexität erreicht, das einen neuen Ansatz beim Systemdesign notwendig macht. Hinzu kommt, dass es einigen Server-Herstellern nicht mehr reicht, einfach nur die neusten Komponenten zu assemblieren. Sie optimieren vielmehr jeden Design-Aspekt in Hinblick auf das Gesamtsystem. Ein Gleichstromwandler zum Beispiel zeigt die Vorteile dieses Ansatzes: Werden die dafür notwendigen Controller, Treiber und MOSFETs unter Berücksichtigung des Gesamtsystems ausgewählt, kann dessen Leistungsfähigkeit verbessert werden. Wird die richtige Treiber-Technik mit einer maßgeschneiderten MOSFET-Technologie in einem einzigen Gehäuse kombiniert, dann sind die damit erzielbaren Resultate deutlich besser, als dies mit einem General-Purpose-Treiber und einem generischen MOSFET möglich wäre.

Infineon Technologies ergänzt nun sein Treiber-Portfolio mit zwei neuen Bausteinen: dem PX3517 und dem PX3519 (Bild 1). Die beiden Zweifach-High-Speed-Treiber eignen sich für eine Vielzahl von High-Side- und Low-Side-N-Kanal-MOSFETs in synchron gleichgerichteten Abwärtswandlern (Bild 2). Die Kombination mit den digitalen Mehrphasen-Controllern der Primarion-Familie oder den digitalen PoL-Controllern (Point of Load) und den N-Kanal-MOSFETs ermöglicht eine vollständige Regelung der Kernspannung von Mikrocontrollern, Grafikprozessoren sowie PoL-Anwendungen. Die zwei Bausteine sind sich in ihren grundlegenden Eigenschaften sehr ähnlich, Unterschiede bestehen in der Gehäusetechnik und bei speziellen Funktionen.

Beide Bausteine sind mit einer Bootstrap-Diode für High-Side-Treiberfunktionen ausgestattet und verfügen über einen adaptiven Schutz gegen Durchbruch. Somit wird verhindert, dass die High- und Low-Side-MOSFETs gleichzeitig durchschalten; außerdem wird die Totzeit minimiert. Die Komponenten können bis zu einer Frequenz von 1,2 MHz mit einem externen PWM-Signal synchronisiert werden, was gleichzeitig eine Tri-State-Funktionalität darstellt, mit der beide MOSFETs abgeschaltet werden können. Um die PWM-Spannung für das Tri-State-Fenster einzustellen, hat der PWM-Pin einen eingebauten Widerstandsteiler. Damit wird im Falle eines offenen PWM-Anschlusses ein Fehlerzustand vermieden.

Der Wert des Teilers wird auf Basis von zwei Kriterien eingestellt: Zum einen stellt der Widerstandsteiler einen Verbraucher dar, der den Wirkungsgrad bei niedrigen Lasten oder die Standby-Anforderungen beeinflussen kann. Aus diesem Grund sollte das Netz mit hohen Widerständen realisiert werden. Darüber hinaus kann die Reaktionszeit des PWM-Moduls in manchen Fällen von den Widerständen und den parasitären Kapazitäten der Pins/Trace zwischen Controller und Treiber beeinflusst werden. In diesem Fall ist ein niedriger Widerstand wünschenswert.

Die PWM passt für Controller mit 3,3 V. Ein geringer thermischer Widerstand zum Lötpunkt θJS (Exposed Pads an der Unterseite) sichert einen guten Wärmeübergang auf die Leiterplatte. Eine gute Verbindung mit der Leiterplatte ist essenziell, um die Selbsterwärmung des Treibers aufgrund der Verlustleistung der Gate-Ladung zu verringern. Diese Verlustleistung kann bei mehreren Low-Side-MOSFETs durchaus hoch sein.

Um das System vor thermischen Problemen zu schützen, ist der PX3517 mit einer thermischen Alarmfunktion mit einstellbarem Schwellwert ausgestattet, der über einen externen Widerstand eingestellt werden kann. Sobald die Sperrschicht-Temperatur den Schwellwert erreicht hat, gibt der Treiber ein logisches Signal über den Open-Drain-Pin THW# aus.

Um ein komplexes Layout und Rauschen zu verhindern, bietet der PX3517 eine getrennte Spannungsversorgung für den Leistungsteil (PVCC) und für den Logikteil (VCC). Darüber hinaus können PVCC und VCC mit unterschiedlichen Spannungen versorgt werden. In diesem Fall muss allerdings eine entsprechende Power-Up-Sequenz implementiert werden. PVCC kann unterschiedliche Gate-Spannungen zwischen 4,5 und 8 V für das High-Side- und das Low-Side-MOSFET-Gate liefern, um auch bei den verschiedensten Anwenderanforderungen stets einen hohen Wirkungsgrad zu ermöglichen. Der PX3519 verfügt zudem über einen Enable-Pin, mit dem das System schnell in den Standby-Modus gebracht werden kann.

Der PX3517 sitzt in einem „leadless“ TDSON-10-Gehäuse und ist mit der vorherigen Generation der Infineon-Treiber (PX3516) Pin-kompatibel. Der PX3519 wiederum ist in einem „leadless“ VDSON-8-Gehäuse untergebracht, wobei bei diesem Baustein aufgrund der kleineren Anschlusszahl PVCC und VCC auf einen Pin gelegt sind.