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Engpässe bei MLCCs meistern

09. Dezember 2020, 08:00 Uhr   |  Atsuhiko Furukawa, Analog Devices

Engpässe bei MLCCs meistern
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Das weltweite Angebot nach Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCCs) hält mit der Nachfrage nicht Schritt. Das liegt vor allem an der gestiegenen Komplexität von Mobiltelefonen und den steigenden Absatz von Elektroautos. Kann man schaltungstechnisch diese Engpässe meistern?

Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCCs) werden heute im Milliarden-Stückzahlen verbaut. Bei einigen Smartphones hat sich die Zahl der verwendeten Keramikkondensatoren innerhalb weniger Jahre verdoppelt, bei einem Elektroauto kann sich die Zahl gegenüber einem typischen modernen Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor vervierfachen (Bild 1).

MLCCs, Analog Devices
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Bild 1: Der Anstieg der Anzahl an MLCCs in Elektroautos (a) und Mobiltelefonen (b) weltweit führte zu Engpässen, da die Produktionskapazitäten nicht entsprechend erhöht wurden [1].

Der Versorgungsengpass bei MLCCs, der sich gegen Ende 2016 abzuzeichnen begann, hat es besonders schwierig gemacht, Produkte mit hoher Kapazität (einige Dutzend Mikrofarad oder mehr) zu bekommen, die für den reibungslosen Betrieb zahlreicher Stromversorgungen für die neueste Elektronik erforderlich sind. Hersteller, die ihren Bedarf an Keramikkondensatoren reduzieren wollen, schauen zwangsläufig auf die Kapazitätsanforderung von Stromversorgungen, insbesondere von Schaltreglern. Dies stellt die Entwickler solcher Systeme vor die Herausforderung, den Bedarf an Kondensatoren zu mindern.

Ein typischer Tiefsetzsteller (Buck Converter) enthält folgende Kondensatoren (Bild 2):

MLCCs, Analog Devices
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Bild 2: In einem typischen Tiefsetzsteller verwendete Kondensatoren.

  • Ausgangskondensator: Glättet sowohl die Welligkeit der Ausgangsspannung als auch den Laststrom bei Lasttransienten. Im Allgemeinen wird hierfür eine große Kapazität von einigen Dutzend Mikrofarad bis 100 μF verwendet.
  • Eingangskondensator: Neben der Stabilisierung der Eingangsspannung hat er die Aufgabe, unmittelbar den Eingangsstrom zu liefern. Im Allgemeinen werden mehrere Mikrofarad bis mehrere zehn Mikrofarad verwendet.
  • Stützkondensator: Absorbiert Störsignale, die durch Schaltvorgänge erzeugt werden, sowie Störsignale von anderen Schaltungen. 0,01 μF bis 0,1 μF werden im Allgemeinen verwendet.
  • Kompensationskondensator: Er stellt den Phasenreserve in der Rückkoppelschleife sicher und verhindert Oszillationen. Häufig werden mehrere hundert Pikofarad oder mehrere zehn Nanofarad verwendet. Einige Schaltregler-ICs integrieren den Kompensationskondensator.

Der beste Weg, die Kapazität zu reduzieren, besteht darin, sich darauf zu konzentrieren, die Ausgangskapazitäten zu minimieren. Also gehen wir als Nächstes darauf ein. Danach folgen Lösungen zur Verringerung der Anforderungen an Bypass-Kondensatoren und bis zu einem gewissen Grad auch der Eingangskondensatoren.

MLCCs, Analog Devices
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Bild 3: (a) Blockdiagramm eines Tiefsetzstellers und (b) typische Kennlinie der Regelschleife.

Höhere Schaltfrequenz

Im Bild 3 ist links ein Blockschaltbild eines Current-Mode-Abwärtswandlers mit der Rückkoppelschleife und der Kompensationsschaltung zu sehen. Der rechte Teil von Bild 3 zeigt die Kennlinie der Rückkoppelschleife. Die Frequenz, bei der die Schleifenverstärkung 0 dB beträgt (Verstärkung = 1), wird als Transitfrequenz (Crossover Frequency, fC) bezeichnet. Je höher diese Transitfrequenz ist, desto besser ist auch die Lastsprungantwort des Reglers. Bild 4 zeigt zum Beispiel die Sprungantwort für einen Regler, der einem schnellen Anstieg des Laststroms von 1 A auf 5 A unterworfen ist. Die Ergebnisse werden für Transitfrequenzen von 20 kHz und 50 kHz gezeigt. Kurzzeitig bricht die Spannung um 60 mV bzw. 32 mV ein.

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Bild 4: Gegenüberstellung der Sprungantwort eines Tiefsetzstellers bei zwei Transitfrequenzen.

Vordergründig erscheint es naheliegend, die Transitfrequenz zu erhöhen, denn die Antwort bei einem Lastsprung verbessert sich, wenn man den Abfall der Ausgangsspannung minimiert. Dadurch wiederum lässt sich die Ausgangskapazität vermindern. Allerdings birgt ein solches Vorgehen zwei Probleme. Erstens ist sicherzustellen, dass die Phasenreserve der Rückkoppelschleife ausreichend groß ist, um Oszillationen zu verhindern.

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Bild 5: Liegen Schalt- und Transitfrequenz der Regelschleife zu nahe beieinander, kann die negative Rückkopplung auf eine Welligkeit der Ausgangsspannung reagieren. Es empfiehlt sich, die Transitfrequenz unter einem Fünftel der Schaltfrequenz zu halten.

Im Allgemeinen ist eine Phasenreserve von mindestens 45° (vorzugsweise mindestens 60°) bei der Transitfrequenz erforderlich. Zweitens ist auf die Beziehung zwischen Schaltfrequenz (fSW) und Transitfrequenz zu achten. Sind sie ähnlich groß, kann der Regelkreis auf die Welligkeit der Ausgangsspannung mit einer negativen Rückkopplung reagieren und somit die Stabilität des Reglers beeinträchtigen. Als Richtwert sollte die Transitfrequenz höchstens ein Fünftel der Schaltfrequenz betragen (Bild 5).

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Bild 6: Bei einem typischen Regler sinkt die Effizienz, wenn die Schaltfrequenz steigt. Bestimmter Regler von Analog Devices (ADI) können einen hohen Wirkungsgrad bei sehr hohen Schaltfrequenzen aufrechterhalten, sodass sie kleinere Ausgangskapazitäten verwenden können.

Um die Transitfrequenz zu erhöhen, muss also auch die Schaltfrequenz erhöht werden. Dadurch steigen aber wiederum die Schaltverluste in dem MOSFETs, was den Wirkungsgrad herabsetzt und zusätzliche Wärme erzeugt. Jegliche Ersparnis bei der Kapazität geht somit auf Kosten zusätzlicher Komponenten für die Entwärmung: Lamellen, Lüfter oder zusätzlicher Platz auf der Leiterplatte.

Ist es möglich, auch bei hoher Arbeitsfrequenz einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen? Die Antwort lautet ja. Eine Reihe von Regler-ICs von Analog Devices tun genau das, denn sie enthalten eine spezielle MOSFET-Ansteuerung (Bild 6).

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Bild 7: Höhere Schaltfrequenzen reduzieren die Größe von Kondensatoren und Induktivitäten.

So gewährleistet beispielsweise der 6-A-Abwärtsregler LT8640S von Analog Devices über seinen gesamten Lastbereich (0,5 A bis 6 A) einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent, obwohl er bei einer Frequenz von 2 MHz (12 V am Eingang und 5 V am Ausgang) arbeitet. Auch senkt dieser Regler die Anforderungen an die Ausgangskapazität, indem er die Welligkeit des Spulenstroms verringert (ΔIL). Dies wiederum reduziert die Welligkeit der Ausgangsspannung (ΔVOUT, Bild 7). Auch genügt eine viel kleinere Induktivität. Mit einer höheren Schaltfrequenz kann dementsprechend auch die Transitfrequenz erhöht werden, was die Antwort auf einen Lastsprung und die Lastregelung verbessert (Bild 8).

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Bild 8: Eine höhere Schaltfrequenz verbessert die Antwort auf einen Lastsprung.

Bypass-Kapazität reduzieren

Wie steht es mit der Reduzierung der Bypass-Kapazität? Die Hauptaufgabe dieses Kondensators besteht darin, das durch den Schaltvorgang erzeugte Rauschen aufzunehmen. Lässt sich das Schaltrauschen auf andere Weise senken, kann auch die Bypass-Kapazität reduziert werden. Ein besonders einfacher Weg, dies zu erreichen, ist die Verwendung eines Bausteins der Reglerfamilie Silent Switcher von Analog Devices.

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Bild 9: Die heiße Schleife in einem Schaltregler erzeugt den Großteil des abgestrahlten Störsignals aufgrund des von ihr erzeugten magnetischen Wechselfeldes.

Ein solcher Schaltregler hat zwei Stromschleifen (Bild 9): Ist der obere MOSFET ein- und der untere MOSFET ausgeschaltet. Fließt ein Strom durch die rote Schleife, ist umgekehrt der obere MOSFET aus- und der untere MOSFET eingeschaltet, fließt ein Strom durch die blaue Schleife. In der grünen, der sogenannten heißen Schleife (Hot Loop) fließt ein vollständig getakteter Wechselstrom, der von Null auf den maximalen Strom IPEAK und wieder zurück auf Null schaltet. Damit weist diese Schleife den höchsten Wechselstromanteil auf und daher die höchste elektromagnetische Energie, da sie das sich am stärksten ändernde Magnetfeld erzeugt.

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Bild 10: Die Silent-Switcher-Technologie sorgt dafür, dass sich die entstehenden Magnetfelder gegenseitig auslöschen.

Die Regelung der Anstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate) eignet sich dafür, Schaltrauschen zu unterdrücken, indem sie die Änderungsgeschwindigkeit der Gate-Signale gezielt verlangsamt (Verringerung des di/dt). Zwar verringert sie das Rauschen wirksam, aber dadurch erhöhen sich die Schaltverluste. Die Folge: Es entsteht zusätzliche Wärme, insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen, wie zuvor beschrieben. Unter bestimmten Bedingungen ist die Regelung der Anstiegsgeschwindigkeit effektiv, und Analog Devices bietet auch Schaltregler mit dieser Funktion an.

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Bild 11: Die Silent-Switcher-2-Technologie integriert die Eingangskondensatoren in den IC, was das Layout vereinfacht und die Rauschunterdrückung verbessert.

Regler aus der Silent-Switcher-Serie unterdrücken elektromagnetische Störungen, die von der Hot-Loop ohne Regelung der Anstiegsgeschwindigkeit erzeugt werden. Dazu spalten sie den VIN-Anschluss in zwei Teile, wodurch die Hot-Loop in zwei symmetrische Schleifen aufgeteilt werden kann. Das resultierende Magnetfeld ist auf den Bereich in der Nähe des ICs beschränkt und deutlich reduziert, was die abgestrahlten Störungen minimiert (Bild 10).

Der LT8640S, die zweite Generation dieser Technologie – Silent Switcher 2 – integriert die Eingangskondensatoren in den IC (Bild 11). Dies gewährleistet eine maximale Rauschunterdrückung und macht eine sorgfältige Positionierung der Eingangskondensatoren im Layout überflüssig. Diese Eigenschaft reduziert natürlich auch die erforderlichen MLCCs. Ein weiteres Merkmal, die Spread-Spectrum-Frequenzmodulation, senkt die Rauschspitzen, indem die Schaltfrequenz dynamisch geändert wird. Die Kombination dieser Merkmale ermöglicht es dem LT8640S, die EMV-Norm CISPR 25 Klasse 5 für den Automobilbereich einzuhalten (Bild 12).

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Bild 12: Die Kombination von Entstörfunktionen in einem Silent-Switcher-2-Baustein wie dem LT8640S ermöglicht es, die Scheitelwerte der CISPR 25 Klasse 5 einzuhalten und gleichzeitig die Eingangs- und Bypass-Kapazität zu reduzieren.

Fazit

Schaltregler von Analog Devices können dazu beitragen, den Bedarf an MLCCs zu reduzieren und Entwicklern helfen, die Engpässe bei Bauteilen zu überwinden. Die Anforderungen an die Ausgangskapazität werden durch den Betrieb bei hohen Frequenzen reduziert, ohne dass der Wirkungsgrad darunter leidet. Bauelemente mit Silent-Switcher-Architektur unterdrücken elektromagnetische Störungen erheblich, was die Anforderungen an Bypass-Kondensatoren reduziert. Silent-Switcher-2-Bausteine reduzieren den Bedarf an MLCCs weiter.

Referenzen

[1] R. Blackwell: »Investor Presentation February 2018«; Kemet

[2] J. Seago, OPTI-LOOP Architecture Reduces Output Capacitance and Improves Transient Response; Application Note AN76, Analog Devices

H. J. Zhang, Modeling and Loop Compensation Design of Switching Mode Power Supplies; Application Note AN149, Analog Devices

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