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Ziel Effizienzsteigerung

Gekoppelte Induktivitäten in Abwärtswandlern

14. Juni 2024, 18:00 Uhr | Von Alexandr Ikriannikov und Laszlo Lipcsei

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Performance-Gewinn

Durch den Einsatz von vier gekoppelten Induktivitäten mit jeweils CL = 1,1 μH statt diskreter Induktivitäten mit DL = 6,8 μH konnte die Stromsteilheit in der Induktivität um das 6-fache verbessert werden, was für die Optimierung der Einschwingvorgänge immer hilfreich ist. Zusätzlich verbesserte sich die Sättigungsleistung der Induktivität bei 100 °C um das 2-fache, und das, obwohl das Gesamtvolumen der Induktivität um das 4-fache reduziert werden konnte.

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Das Einschwingverhalten der vorgeschlagenen Lösung mit einer Eingangsspannung von V_IN = 48 V und einer Ausgangsspannung von V_O = 12 V zeigt Bild 6. Wie erwartet, regelt die Rückkopplung die Ausgangsspannung auf einen voreingestellten Wert für den sich ändernden Laststrom und kompensiert dabei auch alle Änderungen der Eingangsspannung.

Den wahrscheinlich wichtigsten Leistungsparameter, die erzielte Effizienz, zeigt Bild 7. Sie wird mit der State-of-the-Art-Industrielösung verglichen: 48 V auf 12 V (feste 4:1-Abwärtswandlung) LLC mit Matrix-Transformator und GaN-FETs auf der Primär- und Sekundärseite [10]. Man vergleiche die erreichte Effizienz bei Volllast von 97,6 % mit dem Benchmarkwert von 96,3 %. Dies bedeutet, dass bei voller Leistung 16,6 W weniger Verluste entstehen, das heißt, dass die vorgeschlagene Lösung eine 1,6-fache Verbesserung erreicht. Eine solche Verringerung der Verluste ist normalerweise sehr schwer zu erreichen, wenn die Effizienz bereits so hoch ist.

Ein Kompromiss zwischen Baugröße und Effizienz ist sicherlich möglich. Bild 8 vergleicht die Effizienz von CL = 4 × 1,1 μH (4× geringere Abmessungen der Induktivitäten gegenüber DL) mit einem größeren CL = 4 × 3 μH, bei der sich das Bauvolumen der Induktivitäten nur um den Faktor 2 verringert. Die physikalisch größere gekoppelte Induktivität von CL = 4 × 3 μH hat einen höheren Wert von L_k = 3 μH für die Streuinduktivität und eine größere gemeinsame Induktivität von L_m = 10 μH. Dies ermöglicht eine bequeme Verringerung der Schaltfrequenz F_S auf 110 kHz, wodurch sich die Effizienz im Vollastbereich deutlich erhöht.

Zusammenfassung

Aufgrund der Vorteile der gekoppelten Induktivitäten verringert die 48-V-auf-12-V-Lösung die Gesamtgröße der Induktivitäten gegenüber den diskreten Basisinduktoren um das Vierfache und erreicht 1,2 kW im 1/8-Brick-Format. Die 4-fache Verringerung der Baugröße der Induktivitäten wird bei gleichbleibend hoher Effizienz erreicht. Zugleich wird die Flankensteilheit des Induktionsstromes um das Sechsfache und der I_sat der Induktivitäten um das Zweifache erhöht.

Gegenüber der 48-auf-12-V-State-of-the-Art-Lösung mit gleichem Formfaktor wird bei voller Leistung eine ~1,6-fache Verringerung der Verluste erreicht. Es wird auch gezeigt, dass sich die Effizienz weiter verbessert, wenn eine geringere Verkleinerung der Induktivitäten akzeptabel ist.

Gleichzeitig ist die vorgeschlagene Lösung vollständig geregelt, wird direkt auf dem Motherboard des Kunden untergebracht und verwendet Standard-Silizium-FETs, um die Kosten weiter zu optimieren. Dem gegenüber stehen ungeregelte 4:1-LLCs mit GaN-FETs, die als separates Modul mit einer speziellen Leiterplatte hergestellt werden. Die Leiterplatte besteht aus mehreren Schichten, weist ein aufwendiges Layout auf und ist mit einem Embedded-Matrix-Transformator bestückt. Der Performance-Gewinn insgesamt verdeutlicht die Vorteile der patentierten IP von ADI für gekoppelte Induktivitäten.

Die Autoren

Alexandr Ikriannikov
ist Fellow im Team Communications and Cloud Power von Analog Devices. Im Jahr 2000 erhielt er seinen Ph.D. in Elektrotechnik vom Caltech, wo er Leistungselektronik bei Dr. Cuk studierte. Seine Hochschulprojekte erstreckten sich von der Blindleistungskompensation für AC/DC-Anwendungen bis hin zu 15- bis 400-V-DC/DC für Mars-Rover. Aktuell ist Ikriannikov Senior-Mitglied beim IEEE. Er hält mehr als 60 erteilte und weitere angemeldete US-Patente.

Laszlo Lipcsei
ist Director des Teams Communications and Cloud Power von Analog Devices. Er erhielt seinen M.S.E.E.-Abschluss in Automation and Computers von der Polytechnischen Universität Bukarest. Im Jahr 2015 trat Laszlo dem AR&D-Team von Maxim Integrated bei. Seit Anfang 2020 konzentriert sich Lipcsei auf die Entwicklung von mehrphasigen und 48-V-Leistungswandlungsarchitekturen. Er hält über 50 Patente, weitere sind angemeldet.
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