Embedded-Systeme für multiple Anwendungen

<p>Schnelle Reaktion auf Marktveränderungen mit nur einfachem Austausch von Hardwarekomponenten und ohne Änderung der Software ermöglichen die Embedded-PCs der GEME-Serie (General Embedded Machine Engines).

Die neuen 1,1-A-LDOs LT3080 mit drei Anschlüssen von Linear Technology lassen sich parallel schalten und erlauben damit die lineare Regelung von mehreren Ampere auf oberflächenmontierten Leiterplatten ohne Kühlkörper. Der Eingangsspannungsbereich liegt zwischen 1,2 V und 40 V, die Drop-out-Spannung bei nur 300 mV bei voller Last. Die Ausgangsspannung lässt sich über einen einzigen Widerstand zwischen 0 V und 38,7 V einstellen.

Schnelle Reaktion auf Marktveränderungen mit nur einfachem Austausch von Hardwarekomponenten und ohne Änderung der Software ermöglichen die Embedded-PCs der GEME-Serie (General Embedded Machine Engines). GEME-4000 ist mit einem Ultra-Low-Voltage Celeron M (1 GHz) und die GEME-5000 mit dem Ultra-Low-Voltage Pentium M (bis 1,4 GHz) bestückt. Beide Embedded-PCs mit 2 x USB 2.0, 1 x RS232/422/485, 10/100-LAN, 2 x Firewire (IEEE1394), CompactFlash und zwei EIDE-Ports sowie allen gängigen PC-Schnittstellen ausgerüstet. Alle Anschlüsse und Bedienelemente sind von vorne zugänglich. Erweiterungen werden über den PC/104- oder den PMC-Steckplatz (32 Bit, 33 MHz) angebunden.

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Komplexe ICs wie Prozessoren, DSPs, FPGAs und SoCs benötigen Spannungen von unter 1,2 V. Künftig werden die Spannungen noch weiter sinken. Herkömmliche LDOs geraten hier an die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit.

Denn eigentlich hat sich seit 1976 nicht viel geändert. Damals kam der erste einstellbare LDO mit drei Anschlüssen auf den Markt, der LM317 von National Semiconductor. Über zwei externe Widerstände lässt sich seine Spannung zwischen 1,2 und 40 V einstellen. Er erreicht eine Drop-Out-Spannung von 3 V, einen Ausgangsstrom von 1,5 A und verfügt über eine gut gesteuerte, über die Temperatur konstante Strombegrenzung. Damit stellte der LM317 1976 gegenüber den früheren fest eingestellten LDOs mit schlechter Strombegrenzung einen Durchbruch dar.

Seitdem hat sich nicht viel geändert. Auch moderne Typen wie etwa der LT1086 können Ausgangsspannungen von 1,2 V nicht unterschreiten, reduzieren aber die Drop-Out-Spannung von 3 V auf 1,5 V.

Weil die herkömmlichen LDOs die Anforderungen, die die neuen IC-Generationen stellen, nicht erfüllen können, haben die Anwender bisher Schaltregler eingesetzt. Sie können niedrigere Ausgangsspannungen liefern und sie entwickeln sehr viel weniger Wärme. Diese Vorteile müssen die Anwender allerdings über höhere Kosten und höhere Komplexität bezahlen.

Zudem entfällt ihr eigentlicher Vorteil, einen höheren Wirkungsgrad zu bieten, wenn nur kleine Spannungsstufen umgesetzt werden sollen. Ist etwa die Wandlung einer Spannung von 1,8 auf 1,5 V erforderlich, so ist ein Schaltregler weniger effizient als ein LDO.

Außerdem produzieren die Schaltregler notwendigerweise Ausgangs-Ripple. Auch wenn sich die Hersteller Mühe geben, diesen Ripple in engen Grenzen zu halten – schon heute ist er bereits für einige Anwendungen zu hoch. So akzeptieren die seriellen Interfaces von FPGAs die Ausgangswelligkeit der Schaltregler nicht, weshalb die Hersteller den Einsatz von LDOs fordern. Weil aber FPGAs einen Strom von 3 bis 4 A benötigen, sind zwei bis drei LDOs erforderlich.

In der klassischen Anwendung mit einer einzigen Spannungsversorgung erreicht die Dropout-Spannung Werte, wie heutige Standard-NPN-LDOs mit drei Anschlüssen. Außerdem erreicht der Regler sehr niedrige Drop-Out-Spannungen, wenn er mit einer separaten Stromversorgung für den Leistungspfad arbeitet. Das ist möglich weil der Kollektor-Ausgang des Leistungstransistors zu einem separaten Pin geführt wird.

Der LT3080 erreicht also seinen höchsten Wirkungsgrad, wenn Hilfsstromversorgungen zur Verfügung stehen, um den Steuerschaltkreis zu versorgen. Der LT3080 arbeitet dann mit einem separaten Eingang mit niedriger Stromaufnahme, dessen Spannung mindestens 1 V über dem Ausgang liegen muss. Dieser Low-Power-Pin stellt die Leistung für den Steuerschaltkreis zur Verfügung und treibt den NPN-Pass-Transistor. Das erlaubt es, den NPN-Pass-Transistor in der Sättigung zu betreiben, was die Dropout-Spannung auf 100 mV bei leichten Lasten senkt. Bei einer Last von 1 A steigt er auf nur 300 mV. Die geringe Dropout-Spannung wiederum reduziert die Wärmentwicklung und verbessert den Wirkungsgrad. Anders als in Low-Dropout-PNP-Reglern, die einige Prozent des Stromes benötigen, um die Basis des Pass-Transistor zu treiben, fließt beim LT3080 der Ruhe- und Treiber-Strom in die Last, was den Wirkungsgrad erhöht.

Außerdem zeichnet sich der LDO durch eine hohe Genauigkeit von ±1 Prozent aus, die er aufgrund seiner On-Chip-Referenz erreicht. Mit seinem weiten Ein- und Ausgangsspannungsberich,  enger Line- und Last-Regelung, der hohen Ripple-Unterdrückung und wenigen externen Komponenten eignet er sich also für den Einsatz in den heutigen komplexen Baugruppen, die mit mehreren Spannungsebenen arbeiten.

Der LT3080 stellt über den SET-Pin einen Referenzstrom in Höhe von 10 µA zur Verfügung. Schließt man einen Widerstand zwischen SET und Erde, so entsteht eine Spannung, die als Referenz für den Error-Amplifier dient. Die Referenzspannung ergibt sich aus dem Produkt des SET-Pin-Stroms und dem Wert des Widerstandes. Jede Spannung lässt sich erzeugen und es gibt keine minimale Ausgangsspannung für den Regler.

Unabhängig von der Ausgangsspannung ist ein minimaler Strom von 1 mA erforderlich, um die Regelung aufrecht zu erhalten. Für echte 0 V am Ausgang muss dieser 1-mA-Laststrom auf einer negativen Versorgungsspannung arbeiten.

Weil die Referenzspannung über einen kleinen Strom eingestellt wird, können Leckströme zu oder vom SET-Pin Fehler in der Referenz und in der Ausgangsspannung verursachen. Deshalb sollten die Anschlüsse gut isoliert sein (Teflon, Kel-F). Die isolierten Oberflächen sollten gereinigt werden, um Flussmittel und andere Reste zu entfernen. In feuchten Umgebungen sollte eine Oberflächenbeschichtung aufgebracht werden, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit durchdringt. Leckströme an der Oberfläche können vermieden werden, indem der SET-Pin mit einem Guard-Ring geschützt wird. Der Guard-Ring sollte mit dem OUT-Pin verbunden werden. Ein Leckstrom von 10 nA in oder aus dem SET-Pin bzw. den zugehörigen Schaltungen führen zu einem Fehler der Referenzspannung von 0,1 Prozent.  Leckströme dieser Größenordnung in Verbindung mit weitere Leckstromquellen haben große Offset-Spannungen und Referenzdriften über den Arbeitstemperaturbereich zur Folge.

Um stabil arbeiten zu können, benötigt der LT3080 einen Ausgangskondensator mit geringem Ersatzwiderstand, typischerweise kommen dafür Keramik-, Tantal oder entsprechende Elektrolyt-Kondensatoren in Frage. Um Oszillationen zu verhindern, sollte der Kondensator eine Kapazität von 4,7 µF und einen Ersatzwiderstand von 0,5 Ohm haben. Höhere Ausgangskapazitäten vermindern die Spitzenabweichungen und verbessern die Transientenantwort bei großen Lastwechseln.

Der LT3080 ist in den folgenden Gehäusen untergebracht: DFN (8 Anschlüsse, 3 mm x 3 mm x 0,75 mm), MSOP-8E (3 mm x 5mm) SOT223 (3 Anschlüsse, 6,5 mm x 7 mm) und TO-222 (28 mm x 10,25 mm). Sie kosten bei einer Abnahmemenge von 1000 Stück 1,88, 1,94, 1,81 und 2,20 Dollar. Während die MSOP- und DFN-Gehäuse hohe Ströme in kleinen Bauformen zur Verfügung stellen, erlaubt das SOT-223-Gehäuse die einfache Reglerfunktion mit drei Anschlüssen. Das TO-220-Gehäuse bietet einen Kühlkörper, um die Wärme abzuführen.

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Dann kommt jedoch ein weiterer Nachteil der herkömmlichen LDOs ins Spiel: In SMD-Baugruppen liefern sie nur einen begrenzten Ausgangsstrom, denn sie lassen sich nicht parallel schalten. Genau das wäre aber nötig, um die geforderten hohen Ströme zu erreichen und die Verlustwärme über eine größere Fläche zu verteilen. Wird der LDO über Oberflächenmontage auf die Leiterplatte gesetzt, können höchstens 2 W abgeführt werden. Außerdem dürfen auf den SMT-Boards aus Platzgründen keine Kühlkörper verwendet werden. Die herkömmlichen LDOs sind für solche Anwendungen also ungeeignet.

Mit dem neuen LT3080 löst Linear Technology all diese Probleme. »Wir haben die erste neue NPN-LDO-Architketur seit 30 Jahren entwickelt«, erklärt Robert Dobkin, Vice President und CTO von Linear Technology. Und er muss wissen wovon er spricht, denn er entwickelte vor 30 Jahren den oben erwähnten LM317 sowie später den LT1086 und gilt als einer der herausragenden Chipdesigner der letzten 30 Jahre.

Warum hat es so lange gedauert? »Anscheinend dachte niemand daran, ein neues Design für LDOs zu entwickeln«, erklärt Dobkin. Er selber jedoch dachte intensiv darüber nach, wie er mit einer neuen LDO-Architektur vor allem zwei Ziele erreichen könnte: Spannungen unterhalb von 1,2 V zu liefern und die Möglichkeit zu bieten, die LDOs parallel zu schalten, um die Forderungen nach hohen Strömen bei kleinen Spannungen erfüllen zu können.

Er umreißt ganz kurz den Gang seiner Überlegungen: Wenn man lineare Regler mit möglichst niedrigen Lastwiderständen parallel schalten möchte, dann müssen ihre Spannungen im Bereich von mV übereinstimmen. Das war bei der bisherigen Architektur von LDOs aber kaum möglich. »Wir setzen jetzt Operationsverstärker mit niedriger Offset-Spannung ein und schalten sie parallel. Es handelt sich bei den neuen LDOs also eigentlich um Präzisionsverstärker, die so tun, als ob sie ein Spannungsregler wären. Das funktioniert aber nur, wenn keine Spannungsreferenz, sondern eine Stromreferenz verwendet wird. Wenn man das richtig macht, braucht man auch nur Lastwiderstände im mOhm-Bereich, eine 1 cm lange Leitung auf der Leiterplatte genügt, um einen Widerstandswert in dieser Größenordnung zu liefern«, sagt Dobkin.

Das erklärt auch, warum es so lange gedauert hat, eine solche Architektur zu verwirklichen. Es ist nämlich sehr schwierig, eine Stromreferenz auf einem IC zu integrieren und stabil zu halten. Der Rest der Schaltung besteht im Wesentlichen aus dem Verstärker, mit einem Offset von unter 2 mV. Drei Patente hat Linear Technology auf die neue Architektur angemeldet. »Meine gesamte 30jährige Erfahrung ist in die neuen Architektur eingeflossen«, erklärt Dobkin. Den Schlüssel sieht er zwar im Schaltkreisdesign, doch sei auch die Prozesstechnologie ein wichtiger Faktor. Das Design ist genau auf den besonderen Prozess von Linear Technology abgestimmt. »Wer keine eigene Prozesstechnologie im Haus hat, wird sich schwer tun, einen solchen Baustein zu fertigen«, meint Dobkin. Deshalb ist er sich sicher, dem Wettbewerb gegenüber einen Vorsprung von mindestens drei Jahren zu haben.