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Konfigurierbare 20-V-Hochstrom-PMICs

Digital gesteuerte Power

05. Mai 2020, 09:09 Uhr   |  Autor: Steve Knoth, Redaktion: Ute Häußler

Digital gesteuerte Power
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Die Anforderungen an die Stromversorgung und –steuerung steigen mit der Vielzahl an Funktionen und komplexen Elektronikbauteilen.

Digitale Geräte und Anwendungen brauchen insbesondere Strom. Moderne PMICs liefern unterschiedliche Spannungspegel bei hoher Leistungsdichte, und reagieren schnell auf Lastspitzen. Geringes Rauschen, ein weiter Temperaturbereich und digitale Steuerung vereinfachen die Entwicklung und Integration.

Moderne elektronische Geräte sind mit viel mehr Funktionen als noch vor 20 Jahren ausgestattet und dennoch meist kleiner geworden. Telefone sind mobile Computer mit Touchscreens, Kameras, Blitzlicht, Internet- sowie GPS und Bluetooth-Verbindungen. Industriecom­puter enthalten Barcode-Leseeinheiten, große Bildschirme, Speicherlaufwerke und beleuchtete Tastaturen. Elektronische Medizingeräte haben unzählige Sensoren, Leuchten und Anzeigen.

All dies braucht Strom und damit eine hervorragende Stromversorgung. Portable und stationäre Elektroniksysteme haben hohe Anforderungen an die Stromversorgung – insbesondere, wenn fortschrittliche digitale ICs wie Grafikprozessoren (GPUs), Feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs), Mikrocontroller und Mikroprozessoren, programmierbare Logikbausteine (PLDs), digitale Signalprozessoren (DSPs) oder auch applikationsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) eingesetzt werden. Die komplexen digitalen Bausteine benötigen unterschiedliche Spannungspegel und eine hohe Leistungsdichte, die niedrige Spannungen und hohe Ströme liefert und schnell auf Lastspitzen reagiert. Dazu müssen Entwickler auf geringes Rauschen, limitierte Betriebstemperaturen und die digitale Steuerung achten.

Herausforderungen beim Stromversorgungsdesign

Die hohe Integrationsdichte auf immer kleineren Leiterplatten braucht effiziente Leistungskomponenten, die die Temperaturen im Zaum halten. Der Temperaturüberwachung der Systeme und deren Power-Management-Komponenten kommt daher eine große Bedeutung zu. Ein System-Controller kann eine Übertemperaturwarnung (OT) mit Empfehlungen für Gegenmaßnahmen ausgeben, um eine Überhitzung des Systems zu verhindern. Dazu kann er weniger wichtige Funktionen abschalten oder die Leistung eines Prozessors, Displays und die Netzwerkkommunikation drosseln.

Das Beispiel Auto zeigt: Aus Sicht der Stromversorgung erfordern selbst einfache Infotainment-Konsolen in Armaturenbrettern mehrere Versorgungspegel mit geringen Spannungen (Ausgangspegel) mit einigen Ampere an Gesamtstrom; eine moderne Connected-Car-Konsole benötigt weit mehr. Traditionell wurden niedrige Spannungspegel mit einer Reihe von winzigen diskreten POL-Leistungsregler-ICs (Point of Load) oder großen hoch integrierten Power-Management-ICs (PMICs) generiert. Diese PMICs verfügen häufig über mehr Spannungspegel als nötig, das kostet Bauraum. Zudem können einige dieser Spannungspegel unterversorgt sein, was weitere Integrationen verhindert.

Auch zu viele Funktionen können bei der Auswahl von ICs und zugehörigen diskreten Komponenten Schwierigkeiten verursachen, oder wenn sich bei Produktiterationen die Ein- und Ausgangsspannung oder die Ausgangsströme ändern. Wenn nach dem Leiterplatten-Layout noch eine Systemspezifikation geändert wird, kann im besten Fall noch eine Spannung durch Austausch einiger Widerstände an einem einstellbaren Konverter optimiert werden. Im schlimmsten Fall, wenn die aktualisieren Strompegel den spezifizierten Schaltstrom des eingesetzten Wandlers übersteigen, müssen mehrere ICs durch nicht Pin-kompatible Bausteine ersetzt werden. ICs, Baugruppen oder Systeme müssen eventuell neu qualifiziert werden – das erhöht die Kos­ten und verzögert die Zeitschiene.

Die Lösung ist ein Leistungs-IC, das mehr Ausgänge bietet als diskret aufgebaute Komponenten oder ICs mit nur einem oder zwei Ausgängen. Dieser „dazwischen liegende Regler“ braucht mit einer konfigurierbaren Anzahl an Pegeln mit moderater Versorgung nur sehr wenig Bauraum. Ein solcher IC sollte über Konfigurationen eine große Vielfalt an Spannungen und Strömen generieren können, um auf im Entwicklungsprozess auftretende Anforderungsänderungen der Stromversorgung reagieren zu können – ohne eine erneute Qualifizierung und verlängerte Markteinführung. Darüber hinaus sollte der IC mit hohem Wirkungsgrad bei Eingangsspannungen über 5 V arbeiten können und so unterschiedlichste Anwendungen bedienen, wie etwa 12-V- bis 18-V-Netzteile. Moderne Power-Applikationen brauchen zudem integrierte Sicherheits- und Überwachungsfunktionen, eine weite Betriebstemperatur sowie ein Gehäuse mit hervorragendem thermischem Verhalten.

Flexibel, konfigurierbar und mit mehreren Ausgängen

Ein Beispiel für solche einen Power- Management-IC und Systeme, die mehrere Niederspannungspegel benötigen, ist der Baustein LTC3376 von Analog Devices. Diese Art ICs kann so konfiguriert werden, dass sie zwischen einem und bis zu vier unabhängig geregelten Ausgängen aus einem Eingang von bis zu 20 V bereitstellen und bis zu 15 Ausgangsstromkonfigurationen mit einem Gesamtstrom bis zu 12 A ermöglichen. Mehrkanal-Applikationen in der Telekommunikation, Industrie- und Automobilelektronik sowie in Kommunikationssystemen benötigen diese Flexibilität.

Vier unabhängige abwärts wandelnde Regler und acht konfigurierbare 1,5 A-Leistungsstufen mit flexibler Sequenzierung und Fehlerüberwachung generieren in Kombination einen verfügbaren Ausgangsstrom von insgesamt 12 A. Der IC verfügt über einen Wirkungsgrad der Abwärtswandlung von bis zu 96 Prozent mit einem Fehler der Ausgangsspannung von ±1 % an allen Kanälen. Jeder Kanal kann mit einer unabhängigen Eingangsstromversorgung zwischen 3 V und 20 V betrieben werden und  der Ausgangspannungsbereich reicht bis zu 0,4 V herunter. Für eine vereinfachte Schaltung lassen sich benachbarte Kanäle über eine einzige gemeinsame Spule parallel zusammenschalten. Die DC/DC-Wandler sind einer der 15 Versorgungskonfigura­tionen über die strapazierfähigen Pins CFG0 bis CFG3 zugeordnet. Externe BST-Kondensatoren sind bereits im Gehäuse integriert.

Power-Entwickler können diese PMICs in zwei Betriebsarten nutzen: Im Burst-Mode-Betrieb (Standard-Einschalt-Modus) für einen höheren Wirkungsgrad bei kleineren Lasten und im kontinuierlichen PWM-Modus (Pulse Width Modulation) für weniger Rauschen bei kleinen Lasten. Die Schaltregler sind intern kompensiert und benötigen nur externe Rückkoppelwiderstände, um die Ausgangsspannung einzustellen. Die Abwärtswandler können den Eingangsstrom über einen Soft-Start begrenzen, die Ausgänge differenziell überwachen und sind gegen Kurzschlüsse geschützt. Geringer Ruhestrom ist wichtig, in dem Beispiel liefern alle vier Wandler gemeinsam 42 µA. Der Baustein besitzt einen programmierbaren und synchronisierbaren 1-MHz- bis 3-MHz-Oszillator mit einer Standardschaltfrequenz von 2 MHz.

Überwachung des laufenden Betriebs

Um die zu versorgenden Systeme gleichzeitig zu überwachen und zu schützen, benötigen PMICs zusätzliche Sicherheitsfunktionen. Vier Power-Good-Pins zeigen an, wenn ein aktivierter DC/DC-Wandler innerhalb eines bestimmten Prozentbereichs seiner Zielausgangsspezifikation liegt. Diese zeigen auch Stromausfälle an. Jeder abwärts wandelnde Regler besitzt zudem einen Strommonitor, der einen Strom am IMON-Pin generiert, der proportional zum durchschnittlichen Laststrom des Abwärtswandlers ist und jede Last der einzelnen Wandler extern überwacht. Der gezeigte IC verfügt außerdem über präzise Schaltschwellen des RUN-Pins zur Einschaltsequenzierung und einen Temperaturüberwachungsausgang auf dem Chip.

Die Chip-Temperatur kann durch Abtasten der analogen Spannung am TEMP-Pin ausgelesen werden. Die von der Spannung des TEMP-Pins angezeigte Temperatur ergibt sich aus folgender Formel, wobei VTEMP die Spannung am TEMP-Pin ist.

V temp Spannung PMIC
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Für den Schutz des Chips und seiner Komponenten werden die Abwärtswandler bei hohen Temperaturen im Falle einer Überlast deaktiviert. Wenn die Chip-Temperatur 165 °C erreicht, schalten alle aktivierten abwärts wandelnden Schaltregler ab und bleiben in diesem Zustand, bis die Temperatur wieder unter 155 °C fällt. Der im Bild 1 beispielhaft gezeigte LTC3376 wird in einem kompakten 7 mm x 7 mm großen Flip-Chip-BGA-Gehäuse mit 64 Anschlüssen geliefert, er ist für einen Betriebstemperaturbereich von – 40 °C bis + 125 °C spezifiziert.

PMIC Power digital
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Vereinfachte Blockschaltung des LTC3376

Ausgangskonfigurationen flexibel einstellbar

Für hohe Flexibilität sollte der Baustein unterschiedliche Ausgangskon­figurationen bieten, im Beispiel sind es 15 mögliche Einstellungen. Eine, zwei, drei oder vier Abwärtswandler-Spulen können mit ihren jeweiligen Ampere-Werten auf 12 A summiert werden, Tabelle 1 zeigt die möglichen Kombinationen.

TopologieAusgangsstromkombinationen
5 Vierfach-Abwärtswandler3 A, 3 A, 3 A, 3 A,
 4,5 A, 3 A, 3 A, 1,5 A
 4,5 A, 4,5 A, 1,5 A, 1,5 A
 6 A, 1,5 A, 3 A, 1,5 A
 7,5 A, 1,5 A, 1,5 A, 1,5 A
5 Dreifach Abwärtswandler3 A, 4,5 A, 4,5 A
 6 A, 3 A, 3 A
 4,5 A, 6 A, 1,5 A
 7,5 A, 3 A, 1,5 A
 9 A, 1,5 A, 1,5 A
4 Zweifach-Abwärtswandler6 A, 6 A
 7,5 A, 4,5 A
 9 A, 3 A
 10,5 A, 1,5 A
1 Einfach-Abwärtswandler12 A

 

Für Entwickler heißt das: Sollten sich die Anforderungen an die Stromversorgung während des Entwicklungsprozesses ändern (Bild 2) muss kein neuer IC qualifiziert werden, der Designprozess wird nicht verzögert.

PMIC Power digital
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Typische Schaltung für eine Anwendung mit vier Ausgängen.

Wenig Wärme auf kleinem Bauraum

PMICs für Hochstrom-Anwendungen müssen zu einem klein sein und dazu noch eine hohe thermische Effizienz aufweisen, also wenig Hitze entwickeln. Neuartige Gehäusetechniken schaffen das schon bei 7 mm x 7 mm großen Flip-Chip-Ball-Grid-Array-Gehäusen mit 64 Anschlüssen. Intern werden Kupferzapfen statt Bonddrähte verwendet. Das EMV-Verhalten kann durch Boost-Kondensatoren und eine auf dem Substrat integrierte Massefläche verbessern werden. So werden auch das Design vereinfacht und Funktionsrisiken gemindert. Eine spezielle Anordnung der Leistungsbausteine auf dem Chip optimiert zudem das thermische Verhalten und verteilt die Verlustleistung gleichmäßig.

Bild 3 zeigt am Beispiel des LTC3376 eine vollständige PMIC-Lösung in einem 4 x 3-A-Vierfach-Abwärtswandler. Die aktive Fläche beträgt nur rund 1,5 cm × 2,9 cm und ergibt etwa 4,4 cm2.

PMIC Power digital
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Demo-Baugruppe in einer 4 x 3-A-Abwärts­wandler-Schaltung mit 5-V-, 3,3-V-, 2,5-V- und 1,8-V-Ausgängen.

Ohne moderne PMICs kein Fortschritt

Traditionell wurden Spannungs- und Strompegel von einer Vielzahl an diskreten Leistungsregler-ICs oder großen überintegrierten Power-Management-Schaltungen (PMICs) generiert. Keine dieser Lösungen bietet jedoch sowohl die hohe Flexibilität als auch die notwendige Miniaturisierung, wie sie moderne elektronische Anwendungen für ihre digital gesteuerte Stromversorgung benötigen.

Der Funktionsumfang für Automobil-Infotainmentsysteme, portable Elek­tronikgeräte, industrielle Ausrüstungen und medizintechnische Geräte ist so hoch wie nie zuvor, ein Trend der sich fortführen wird. Diese Systeme besitzen oft Eingangsspannungen über 5 V und werden von fortschrittlichen digitalen Hochstrom-ICs mit niedrigen Spannungen versorgt, die wiederum ihre eigenen besonderen Ansprüche an die Stromversorgung stellen. Das Ersetzen dieser Lösungen mit einem Stromversorgungs-IC mit Einfach-, Vierfach- oder sogar Achtfach-Ausgängen ist eine kluge Wahl. Diese neue Generation an Stromversorgungs-ICs punktet mit hoher Performance – zudem können Systementwickler deren Flexibilität nutzen, um mit unvermeidlichen Änderungen umzu­gehen und Funktionsüberfrachtung abzumildern. Teure und langwierige Neuqualifizierungen von Baugruppen oder Systemen können damit eliminiert werden, was die Markteinführungszeit für das Produkt verkürzt, Entwicklungskosten einspart sowie Zeitaufwand und Kosten reduziert.

PMIC Power digital
© Analog Devices

Steve Knoth ist Senior Product Marketing Manager in der Power-Group von Analog Devices. Er hält einen Bachelor in Electrical Engineering und einen Master in Physik (1995) der Universität San Jose sowie einen M.B.A. in Technologiemanagement der University of Phoenix. Sein Fokus liegt auf integrierten Power-Management-Schaltungen (PMICs), Low-Dropout- Reglern (LDOs), Batterieladeschaltungen, Ladungspumpen-basierten LED-Treibern, Superkondensator-Ladebausteinen, monolithischen Niederspannungs-Schaltreglern und idealen Dioden.

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