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MOSFET-Treiber

Ganzheitliche Lösung für höheren Systemwirkungsgrad

13. Mai 2014, 13:00 Uhr | Milko Paolucci

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Elektrische Charakteristika

Für die Auswahl eines Treibers für einen Stromwandler gibt es viele Kriterien. In diesem Abschnitt sind die wichtigsten Punkte und ihre Auswirkung auf die Applikation zusammengefasst.

PVCC-Betriebsbereich: 4,5 bis 8 V. Wie bereits beschrieben, kann der Entwickler aufgrund der variablen MOSFET-Treiberspannung den Wirkungsgrad für unterschiedliche Lastbereiche optimieren. Bei unterschiedlichen Lastniveaus spielen die verschiedenen Verluste eine unterschiedlich starke Rolle: Bei Volllast beispielsweise sind die Leitungsverluste wichtiger als die dynamischen Verluste; bei niedrigen Lasten bzw. Standby-Betrieb spielen wiederum die dynamischen Verluste eine größere Rolle als die Leitungsverluste. Bild 3 zeigt die Verbesserungen auf, die mit Hilfe eines variablen Gate-Treibers erreichbar sind. Unter den in diesem Bild angenommenen Bedingungen liegt die Verbesserung in einem Bereich von einem Prozent.
Treiberstrom IVCC_O: 660 µA. Bei niedriger Last spielt die Leistungsaufnahme des Treibers eine wichtige Rolle für den Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Im Falle einer 5-V-Versorgungsspannung liegt die Verlustleistung für den Treiber bei etwa 3 mW.
Timing-Charakteristik. Die Timing-Charakteristik ist aus zwei Gründen wichtig: Erstens liefert sie eine grobe Abschätzung für die Totzeit und zweitens beeinflusst sie die Schaltgeschwindigkeit des Systems, mit dem es beide MOSFETs abschalten kann. Unter speziellen Bedingungen ist es umso besser, je schneller die Leistungsstufe in den Hochimpedanz-Modus schaltet. Bilder 4 und 5 zeigen die sehr kurzen Totzeiten zwischen den beiden Übergängen. Für den Übergang in den Leitungszustand (der High-Side-MOSFET schaltet) liegt die Totzeit in einem Bereich von 20 ns, während sie für den entgegengesetzten Übergang (Low-Side-MOSFET schaltet aus) in einem Bereich von 10 ns liegt.

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Ganzheitliche Lösung für höheren Systemwirkungsgrad - Bilder 3 bis 6

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Ausgangscharakteristik

Dank der hohen Sink/Source-Ströme für die High- und Low-Side kann der Gate-Treiber MOSFETs mit sehr niedrigem RDS(ON) schalten, die typischerweise eine hohe Eingangskapazität aufweisen. Damit ist das Design eines Einphasen-Abwärtswandlers mit hohem Ausgangsstrom (bis zu 50 A) möglich. Der High-Side-Treiber kann dank der hohen Sink/Source-Stromtragfähigkeit (ISRC_UG, ISNK_UG) einen MOSFET mit relativ hoher Kapazität in nur wenigen Nanosekunden schalten. Damit eignet sich der Baustein auch für Anwendungen mit ausbalanciertem Lastverhältnis, zum Beispiel 5 V auf 3,3 V. Um den Off-Status des Low-Side-MOSFET während des Schaltens des High-Side-MOSFET sicherstellen zu können, fällt die Impedanz des Low-Side-Treibers (RSNK_LG) sehr niedrig aus. Tatsächlich kann diese Übergangsspannung dv/dt auf der Drain-Seite des Low-Side-MOSFET über den CRSS mit dem Gate des Low-Side-MOSFET gekoppelt werden, so dass ein Einschalten bewirkt wird. Werden MOSFETs mit niedrigem RDS(ON) im Low-Side-Bereich verwendet, ist es enorm wichtig, dass die Low-Side-MOSFETs schnell eingeschaltet werden können, um die Totzeit zu reduzieren. Deshalb weist der Source-Bereich des Low-Side-Treibers (ISRC_LG) eine hohe Strombelastbarkeit auf.

Propagation-Delay-Enable-Pin. Diese Funktion ist nur im PX3519 implementiert und gibt eine Vorstellung davon, wie schnell der EN-Pin die zwei MOSFETs ausschaltet. Genau dieser Punkt ist von hoher Bedeutung, um das Überschwingen der Ausgangsspannung während Lastsprüngen gering zu halten. Außerdem ist es wichtig, dass diese Funktion mit der PWM-Logik nicht kollidiert.

Thermische Genauigkeit: ±10 °C. Diese Funktion ist nur auf dem PX3517 zu finden. Die thermische Genauigkeit ist sehr wichtig, um einen thermischen Durchbruch zu verhindern, was später zu Schäden führen kann.

Systematischer Ansatz notwendig

Um einen guten Treiber für eine spezielle Applikation auszuwählen, ist ein systematischer Ansatz beim Vergleich der elektrischen Charakteristiken, beim Layout und beim Messen des Wirkungsgrads notwendig. Hier wurden die wichtigsten Parameter und ihre Auswirkungen auf die Applikation beschrieben. Bild 6 zeigt die typischen Ergebnisse in Hinblick auf die Leistungsfähigkeit, die ein Ansatz auf Systemebene ermöglicht. Die Grafik vergleicht außerdem den neuen PX3517 mit der früheren Treiber-Technologie PX3516.

Literatur

[1] Infineon-Datenblatt OptiMOS-Treiber PX3517, PX3519

[2] Infineon Application Note AN 2011-02: Buck Converter: Negative Spike at Phase Node

[3] Infineon Application Note AN 2013-06: Synchronous Rectified Buck MOSFET driver IC

Milko Paolucci
arbeitet bei Infineon Technologies in Villach, Österreich. In der Division PMM (Power Management und Multimarket) ist er als Application Engineer im Bereich Applikation und Systeme für Niedervolt-MOSFETs tätig.

Der Autor