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DC-DC-Wandler

Anforderungen an MLCCs reduzieren

15. Juni 2021, 08:22 Uhr   |  Zhongming Ye, Analog Devices

Anforderungen an MLCCs reduzieren
© Murata

Der wachsende Bedarf an Stromversorgungen hat dazu geführt, dass das Preisniveau von Keramikkondensatoren (MLCCs) stark gestiegen ist. DC-DC-Wandler mit hohem Wirkungsgrad, hoher Schaltfrequenz und geringer Störabstrahlung reduzieren die Anforderungen an MLCCs.

Mikroprozessoren, CPUs, SoCs (System on Chips), ASICs und FPGAs benötigen mehrere geregelte Versorgungsspannungen von beispielsweise 0,8 V für die Prozessorkerne, 1,2 V und 1,1 V für DDR3- beziehungsweise LPDDR4-Speicher sowie 5 V, 3,3 V und 1,8 V für Peripherie- und Hilfsbausteine. Tiefsetzsteller (Buck Converter) – und damit Vielschicht-Keramikkondensatoren (Multi-Layer Ceramic Capacitors, MLCCs) – werden in großem Umfang genutzt, um diese geregelten Versorgungsspannungen aus einer höheren Batterie- oder Busspannung bereitzustellen.

Zudem ist der Strombedarf der Rechenkerne von einigen Ampere bis in den zweistelligen Amperebereich gestiegen. Gleichzeitig müssen die Welligkeit der gelieferten Spannung, die bei Lastsprüngen auftretenden Über- und Unterschwinger und die elektromagnetischen Störaussendungen genau kontrolliert werden, was wiederum nach zusätzlicher Kapazität verlangt. Das alles hat dazu geführt, dass die Nachfrage nach MLCCs signifikant angestiegen ist. Die Folge daraus sind Lieferengpässe und steigende Bauteilpreise.

Folgen für die Stromversorgung

Traditionelle Stromversorgungskonzepte können mit dem hohen Tempo des Wandels in vielen Fällen nicht mehr Schritt halten. Ihre Gesamtabmessungen sind zu groß, ihr Wirkungsgrad ist zu gering, das Schaltungsdesign ist zu kompliziert und die benötigten Bauteile sind zu teuer. Um beispielsweise die eng gesteckten Spezifikationen bei der Spannungsregelung bei schnellen Lastsprüngen einzuhalten, ist am Ausgang eine große Zahl von Keramikkondensatoren erforderlich, die die aus den Lastsprüngen resultierenden hohen Ströme aufnehmen beziehungsweise abgeben können. Zusammen können die am Ausgang benötigten MLCCs ein Mehrfaches dessen kosten, was für den Stromversorgungs-IC selbst bezahlt werden muss.

Mit steigender Schaltfrequenz lassen sich die Auswirkungen von Lastsprüngen auf die Ausgangsspannung abmildern und damit sowohl den Kapazitätsbedarf als auch die Abmessungen der Gesamtlösung reduzieren. Andererseits steigen mit der Schaltfrequenz meist auch die Schaltverluste, sodass der Wirkungsgrad des Gesamtsystems sinkt. Ist es möglich, die Anforderungen bei einem Lastsprung bei den sehr hohen Strömen, wie sie von modernen Mikroprozessoren, CPUs, ASICs und FPGAs verlangt werden, zu erfüllen, ohne diese Kompromisse einzugehen?

Mit der Bausteinfamilie Silent Switcher 2 bietet Analog Devices monolithische Abwärtsregler, mit denen es möglich ist, kompakte Tiefsetzsteller mit hohen Ausgangsströmen, einem hohen Wirkungsgrad und guten EMI-Eigenschaften zu implementieren. Dies soll nachfolgend anhand einer Stromversorgung für ein SoC mit dem Baustein LTC7151S beschrieben werden.

Analog Devices, Buck Converter, LTC7151S
© Analog Devices

Bild 1: Schaltplan eines mit 1 MHz schaltenden 15-A-Tiefsetzstellers für SoCs und CPUs, basierend auf dem LTC7151S von Analog Devices.

Bild 1 zeigt diese Lösung für eine Schaltfrequenz von 1 MHz, einer Ausgangsspannung 1,0 V und einen Laststrom von 15 A. Bild 2 zeigt den mit dieser Lösung erreichten Wirkungsgrad. Sie ist für eine Eingangsspannung von typisch 12 V oder 5 V ausgelegt, obwohl diese zwischen 3,1 V und 20 V betragen kann. Zum Komplettieren der Schaltung sind lediglich Eingangs- und Ausgangskondensatoren, eine Induktivität und mehrere kleine Widerstände erforderlich.

Die Schaltung lässt sich zudem recht einfach abwandeln, um abweichende Ausgangsspannungen von beispielsweise 1,8 V, 1,1 V, 0,85 V bis herunter auf 0,6 V zu erzeugen. Mithilfe einer Technik namens Virtual Remote Sense kann der Baustein ohne zusätzliche Sense-Leitungen die Ausgangsspannung unmittelbar an der Last messen, sodass Fehler infolge von Spannungsabfällen entlang der Leiterbahnen vermieden werden [1].

Analog Devices, Buck Converter, LTC7151S
© Analog Devices

Bild 2: Wirkungsgrad der in Bild 1 gezeigten Schaltung.

Der verwendete LTC7151S in seinem thermisch optimierten, 4 mm × 5 mm × 0,74 mm messenden LQFN-28-Gehäuse verfügt über integrierte Leistungs-MOSFETs und arbeitet mit der Valley-Current-Regelung. Die integrierten Schutzfunktionen sollen den Bedarf an externen Schutzelementen minimieren.

Die minimale Einschaltzeit des oberen Schalters beträgt 20 ns (typ.), sodass sich die Eingangsspannung trotz hoher Schaltfrequenzen auch ohne eine weitere Zwischenstufe auf sehr niedrige Core-Spannungen abwärtswandeln lässt. Durch die integrierten Wärmemanagement-Features kann der Wandler Ströme von bis zu 15 A dauerhaft mit Eingangsspannungen von bis zu 20 V abgeben, ohne dass ein Kühlkörper oder eine Zwangsbelüftung notwendig ist.

Wegen seines Eingangsspannungsbereichs von 3,1 V und 20 V eignet sich der LTC7151S auch als erste Stufe eines zwischengeschalteten Spannungswandlers (Intermediate Bus Converter), denn er kann auch bei Ausgangsspannungen von 5 V oder 3,3 V bis zu 15 A liefern und damit mehrere nachfolgende Point-of-Load- oder LDO-Regler speisen.

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1. Anforderungen an MLCCs reduzieren
2. Ausgangskapazität minimieren
3. Niedrige Störabstrahlung

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