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Besseres Systemdesign bei DC/DC-Wandlern

Spitzenwirkungsgrade bis 97 Prozent

25. Juli 2024, 7:00 Uhr | Von Leo Chou, Vishay Intertechnology

Der High-Side-MOSFET wurde auf reduzierte Schaltverluste optimiert, während der Low-Side-MOSFET auf einen extrem niedrigen On-Widerstand optimiert wurde, um die Leitungsverluste zu reduzieren, und eine geringe Gate-Kapazität aufweist, um die dV/dt-Festigkeit zu verbessern.

Mit microBrick vereinfacht Vishay den Aufbau eines hocheffizienten DC/DC-Wandlers mit weitem Eingangsspannungsbereich erheblich. Wenige handelsübliche Widerstände und Kondensatoren genügen, um das Design zu vervollständigen.

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Angesichts der fortschreitenden technologischen Entwicklung ist die Nachfrage nach effizienten, kompakten DC/DC-Wandlern für die Entwicklung von Hochleistungselektroniksystemen von zentraler Bedeutung. So erfordert die neueste Generation von Servern, Telekommunikationsgeräten und IoT-Geräten ein robustes Energiemanagement, um den steigenden Geschwindigkeits- und Energiebedarf bei immer kleiner werdenden Abmessungen zu bewältigen.

Diese Rahmenbedingungen erfordern Stromversorgungen, die nicht nur effizient, sondern auch einfach zu implementieren sind und sich durch eine breite Anpassungsfähigkeit an die Eingangsspannung und ein außergewöhnlich schnelles Einschwingverhalten auszeichnen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, stehen integrierte DC/DC-Wandlermodule jetzt an vorderster Front. Sie vereinen verschiedene Funktionen in einer einzigen Einheit, um die Leistung zu steigern und den Platzbedarf zu minimieren, was für fortschrittliche Anwendungen wie 5G-Infrastrukturen und automatisierte Robotik entscheidend ist.

Vishays microBrick-DC/DC-Wandlermodule optimieren Systemdesigns durch die effiziente Stromversorgung wichtiger Komponenten wie etwa moderner Mikroprozessoren, DSPs, FPGAs und ASICs, die für Server, Telekommunikationsgeräte und IoT-Geräte unerlässlich sind. Durch das innovative Layout des Moduls wird seine Grundfläche erheblich verkleinert, sodass sie der Größe der Induktivität entspricht. Auf diese Weise wird der Platzbedarf des IC und des Leistungs-MOSFET drastisch reduziert, während gleichzeitig eine hohe Leistung beibehalten wird.

Mit innovativem Gehäuse bietet microBrick mehrere Vorteile, sowohl in thermischer als auch in elektrischer Hinsicht. Dabei wird das Problem der Wärmeableitung auf zwei Arten angegangen. Zum einen sind die Komponenten mit der höchsten Temperatur (in der Regel die Leistungs-MOSFETs) thermisch an eine größere, kühlere Komponente (die Induktivität) gekoppelt. Diese Struktur stellt eine hervorragende thermische Lösung dar, da die Induktivität wie ein eingebauter Kühlkörper wirkt.

Ein weiterer, ebenfalls thermischer Vorteil liegt darin, dass die große Fläche unter der Induktivität besser genutzt werden kann, um die Verlustleistung der MOSFETs zu verbessern. Durch die Platzierung der MOSFETs unter der Induktivität wird ein viel größerer effektiver Querschnitt auf der Leiterplatte ermöglicht, ohne dass zusätzliche Fläche verloren geht.

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Aus elektrischer Sicht eliminiert die 3D-Struktur des Vishay-Moduls den Verbindungswiderstand auf der Leiterplatte zwischen der Induktivität und dem Schaltknoten. Dieser parasitäre Widerstand wird durch die Dicke der obersten Cu-Schicht der Leiterplatte bestimmt (in der Regel weniger als 70 µm) und hat als Teil der Gesamtverluste die gleiche Größenordnung wie der RDS(on) der MOSFETs und der DCR der Induktivität.

Diese einzigartige Struktur sorgt für geringere Leitungsverluste und eine hervorragende thermische Leistung, was wiederum zu einer niedrigeren Sperrschichttemperatur führt.

Hoher Wirkungsgrad auf kleinstem Raum

Mit den Reglern SiC931, SiC951 und SiC967, die in einem ultrakompakten Formfaktor von 10,6 mm × 6,5 mm × 3 mm erhältlich sind, bietet Vishay Siliconix die derzeit kompaktesten Produkte auf dem Markt mit dem niedrigsten Profil. Sie nutzen Controller mit minimalem Ruhestrom, wodurch sich Spitzenwirkungsgrade von bis zu 97 Prozent erzielen lassen; beispielsweise bietet der SiC967 einen Spitzenwirkungsgrad von 95 Prozent bei einer Eingangsspannung von 24 V und einer Ausgangsspannung von 12 V. Diese microBrick-Regler sind von zentraler Bedeutung für die Verbesserung der Energieeffizienz in Rechenzentren, Telekommunikationsinfrastrukturen und industriellen Anwendungen und ermöglichen eine optimale Stromversorgung von FPGAs, ASICs und SoC-Kernnetzteilen.

Während die Modelle SiC951 und SiC967 über drei Betriebsmodi verfügen, um unterschiedlichen Leistungsanforderungen gerecht zu werden – erzwungener kontinuierlicher Betrieb (Forced Continuous-Conduction-Mode, FCCM), Ultraschall- und Energiesparmodus – bietet der SiC931 die Modi FCCM und Energiesparmodus. Im Energiesparmodus deaktiviert der Controller den Low-Side-MOSFET, wenn der Strom durch die Induktivität Null erreicht, und leitet einen Diodenemulationsmodus ein. Dieses intelligente Design ermöglicht die Anpassung der Schaltfrequenz an die Lastbedingungen, was den Wirkungsgrad vor allem bei geringeren Lasten erhöht, im Gegensatz zur Begrenzung durch eine statische Schaltfrequenz.

Durch die innovative 3D-Konfiguration der microBrick-Module wird der Übergangswiderstand zwischen Induktivität und Schaltknoten, der üblicherweise durch die Dicke der obersten Kupferschicht der Leiterplatte beeinflusst wird, drastisch reduziert. Dieser Widerstand spielt eine wichtige Rolle bei den Gesamtverlusten des Moduls, mit Beiträgen, die in etwa mit dem RDS(ON) der MOSFETs und dem DCR der Spule vergleichbar sind. Daher minimiert diese einzigartige Struktur die Leitungsverluste und erhöht die thermische Effizienz, was zu niedrigeren Sperrschichttemperaturen beiträgt. Darüber hinaus arbeiten die hocheffizienten microBrick-Module bei niedrigeren Temperaturen, was die Zuverlässigkeit erhöht und den sicheren Betriebsbereich vergrößert. Sie eignen sich daher auch für höhere Umgebungstemperaturen oder kleinere Leiterplatten.

Verbesserte thermische und elektrische Leistung

Diese anpassbaren Reglermodule eignen sich für ein breites Spektrum an Eingangsspannungen von 4,5 V bis 60 V und ermöglichen eine Feinabstimmung der Ausgangsspannung auf bis zu 0,3 V. Vishays SiC931 bietet vier wählbare Schaltfrequenzen (600 kHz, 1 MHz, 1,5 MHz und 2 MHz), während der SiC967 und der SiC951 eine Vielzahl von Schaltfrequenzen von 100 kHz bis 2 MHz beziehungsweise von 300 kHz bis 1,5 MHz abdecken. Jedes Modul ist mit einer einstellbaren Strombegrenzung ausgestattet, wobei der SiC931 zudem über eine einstellbare Softstart-Funktion verfügt. Darüber hinaus ist der SiC951 PMBus-1.3-konform und unterstützt sowohl sequenzielles Tracking als auch den Simultanbetrieb.

Alle Bauelemente verfügen über eine Constant-On-Time(COT)-Architektur, die ein schnelles Einschwingverhalten, eine minimale Ausgangskapazität und eine strenge Welligkeitsregelung bei sehr geringer Last ermöglicht. Zudem bietet das Design Regelkreisstabilität unabhängig vom Typ des eingesetzten Ausgangskondensators, einschließlich Keramikkondensatoren mit niedrigem ESR. Zudem verfügen die Regler über robuste Schutzfunktionen für einen zuverlässigen Betrieb, darunter einen Ausgangsüberspannungsschutz (OVP), einen Unterspannungsschutz (UVP), einen zyklusweisen Überstromschutz (OCP), einen Kurzschlussschutz (SCP) mit automatischer Wiederholung, einen Übertemperaturschutz (OTP) sowie ein Power-Good-Signal.