Stromversorgung Verlustarme PoL-DC/DC-Wandler schalten bei 0 V

Das Schaltschema der Picor-PI33 POL-DC/DC-Wandler. Der Spulenstrom wechselt kurzzeitig seine Richtung. In dieser Phase muss der Ausgangskondensator (CA) den Strom treiben können, was aufgrund der hohen Schaltfrequenz jedoch kein großes Problem ist.
Das Schaltschema der Picor-PI33 POL-DC/DC-Wandler. Der Spulenstrom wechselt kurzzeitig seine Richtung. In dieser Phase muss der Ausgangskondensator (CA) den Strom treiben können, was aufgrund der hohen Schaltfrequenz jedoch kein großes Problem ist.

Niedrige Versorgungsspannungen für Prozessoren aus einer hohen Zwischenkreisspannung erzeugen, das können die neuen »Picor«-Gleichspannungswandler von Vicor. Um die Verlustleistung bei Schaltfrequenzen im MHz-Bereich klein zu halten, werden die Leistungs-MOSFETs resonant bei 0 V geschaltet.

Versorgungsspannungen zwischen 1,2 und 1,8 V für Prozessorkerne zu erzeugen ist mit verhältnismäßig hoher Verlustleistung verbunden. Um die hierfür üblichen Point-of-Load-DC/DC-Wandler (PoL) sinnvoll betreiben zu können, ist eine entsprechend niedrige Zwischenkreisspannung nötig, z.B. 5 V oder gar 3,3 V. Dies bedeutet, dass die Stromversorgung um einen weiteren Zwischenkreis zu erweitern ist - das zweimalige Wandeln lässt die Verlustleistung anwachsen.

Der hohe Energiebedarf der Prozessoren führt dazu, dass dieser zusätzliche Zwischenkreis mit niedriger Spannung eine hohe Stromstärke führen und verteilen können muss. Es sind breite Leiterbahnen nötig, um die Verluste im Zwischenkreis möglichst gering zu halten. Allerdings ist bei HDI-Leiterplatten kaum Platz für große Leiterquerschnitte. Der Entwickler muss daher den bestmöglichen Kompromiss finden zwischen der Höhe der Zwischenkreisspannung und den Verlusten durch mehrfache Spannungswandlung einerseits und der verfügbaren Leiterplattenfläche und den ohmschen Verlusten der Leiterbahnen andererseits.

Diese Suche nach dem besten Kompromiss entfällt bei den POL-DC/DC-Wandlern „Picor Cool Power PI33xx-xx-LGIZ“ von Vicor. Sie können vergleichsweise hohe Eingangsspannungen verarbeiten, um eine niedrige Ausgangsspannung - bis herunter zu 1 V - mit hohem Wirkungsgrad - bis zu 98 Prozent - zu erzeugen.

Die Abwärtswandler der PI33-Reihe basieren auf einer resonant arbeitenden Wandlerschaltung, bei der die MOSFETs dann geschaltet werden, wenn ihre Drain-Source-Spannung auf 0 V gefallen ist (Zero Voltage Switching, ZVS), ergänzt um einen dritten MOSFET zur Klemmung der Induktivität (Bild). Das resonante Schalten der MOSFETs bei 0 V Drain-Source-Spannung reduziert die Schaltverluste, so dass die MOSFETs mit einer hohen Frequenz (380 kHz bis 1,5 MHz) geschaltet werden können, ohne den Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers zu verschlechtern. Die Klemmung der Induktivität ermöglicht es, auch ohne Transformator mit hohem Übersetzungsverhältnis arbeiten zu können - bis 36:1.

Dank ZVS, hoher Schaltfrequenz und Klemmschaltung kann Vicor seine PoL-Gleichspannungswandler der PI33-Familie klein und kompakt ausführen. Ihr Wirkungsgrad ist auch bei hoher Eingangsspannung hoch, so dass sie ohne zweite Wandlerstufe bzw. Zwischenkreis einen Prozessorkern versorgen können.