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PMICs: Effizienz steigern mit reduzierten Wandlerstufen

18. Februar 2021, 10:08 Uhr   |  Michael Maurer, Senior Application Marketing Manager ADAS, ROHM Semiconductor Europe

PMICs: Effizienz steigern mit reduzierten Wandlerstufen
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Dieser Fachartikel gibt einen Überblick über Branchentrends, die den Bedarf an fortschrittlichen Wandler- und Gehäusetechnologien forcieren. Er beschreibt welche Innovationen beim Wandlerdesign den Wirkungsgrad in 48-V-Systemen verbessern und bei Leistungs-MOSFETs den Einschaltwiderstand reduzieren.

Moderne ICs verfügen über schnellere Prozessoren, mehr Speicherdichte und eine Fülle von Funktionen. Gleichzeitig bieten sie eine höhere Zuverlässigkeit und sollen weniger Strom verbrauchen. Der Wechsel zu Halbleiterprozessen mit kleineren Strukturen und geringeren Betriebsspannungen ermöglicht diese Verbesserungen, ohne die Chipfläche, die Kosten und den Bedarf an speziellen Materialien dramatisch zu erhöhen. Umgekehrt reduzieren Stromversorgungssysteme mit höheren Spannungen (48 V und höher) den Stromverbrauch und verbessern den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung. 

Im Fall von Automobilanwendungen, Industrie-, Robotik-, und Datenkommunikations-Systemen vergrößert dies die Spannungsdifferenz zwischen den Stromversorgungssystemen und Anwendungen im Sensor-, Prozessor-, Speicher- und Kommunikationsbereich. Die Überbrückung des Spannungsgefälles erfordert in der Regel mehrere Wandlerstufen und Kompromisse mit höherem Einschaltwiderstand (RON = Leitungsverluste). Daraus ergibt sich ein geringerer Wirkungsgrad. Glücklicherweise wurden Fortschritte in der Wandlertechnologie und im Packaging gemacht, um den Wirkungsgrad der Wandler zu erhöhen und Leitungsverluste zu reduzieren.

Herausforderungen bei hoher Spannung und Stromausbeute

Für viele Anwendungen, einschließlich Rechenzentren, Automobil-Anwendungen, Robotik und Telekommunikationsinfrastruktur sind 48 V die höchste Standardspannung in DC-Systemen. Dieser Spannungswert stellt einen akzeptablen Kompromiss für die Verbindungs- und Systemanforderungen dar. Bei höheren Spannungen ist der Strom, der zur Bereitstellung der gleichen Leistung benötigt wird, geringer als bei einer Stromversorgung mit niedrigerer Spannung. Dies ermöglicht eine höhere Leistungseffizienz, da es weniger Widerstandsverluste im gesamten System gibt. Gleichspannungen jenseits von 48 V erfordern zusätzliche Schutzmaßnahmen, Isolierung und Maßnahmen zu einer erhöhten Berührungssicherheit. 

Die Herausforderung bei der Verwendung von 48 V als DC-Stromschiene besteht darin, dass moderne Digitalelektronik – einschließlich komplexer Systems-on-Chip (SoC), Multicore-Prozessoren und FPGAs – Spannungen von nur 1,2 V verwenden. Um diese Systeme zu versorgen, werden Spannungswandler benötigt, die eine 48-V-Spannung in 1,2 V umwandeln. In vielen Anwendungen benötigen diese Low-Voltage-Spannungsschienen auch zig Ampere Strom. Dies kann bei Verwendung mehrerer Wandlerstufen zu sehr schlechten Wirkungsgraden bei der Spannungsreduzierung führen. Jede Wandlerstufe hat einen typischen Wirkungsgrad von ca. 90 %. Mehrere Stufen verringern den Wirkungsgrad. Gleichzeitig ist eine Regelung mit niedriger Leistung typischerweise effizienter. Einige Fälle erfordern jedoch eine Regelung von bis zu 1000 W. Dies stellt den Anwender bei der Auswahl von Bauteilen und der Entwicklung einer Spannungsregelungslösung, die die Ineffizienzen der Komponenten des Wandlersystems überwindet, vor erhebliche Herausforderungen. 

Zum Beispiel verwenden viele Schaltwandlertopologien Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) als Schaltbauteile in den Stromversorgungen. MOSFETs haben einen Drain-Source-Einschaltwiderstand (RDS(ON), oder RON), der einen intrinsischen Leitungsverlust im Gerät darstellt. Ein niedriger RON-Wert reduziert die Leitungsverluste in einem MOSFET erheblich und führt gleichzeitig zu einer geringeren Wärmeentwicklung, was das Wärmemanagement vereinfacht. Ein kühlerer MOSFET bewirkt auch einen niedrigeren RON-Wert, da RON eine Funktion der Temperatur ist und mit steigender Bausteintemperatur ansteigt (positiver Temperaturkoeffizient).

RON besteht aus mehreren Widerständen, die sich bei Reihenschaltung addieren. Die Faktoren reichen vom Widerstand des Diffusionsbereichs, des Kanalbereichs, des Akkumulationsbereichs und – am wichtigsten – des Driftbereichs. Weitere Faktoren sind der Kontaktwiderstand zwischen Drain- und Source-Metallisierung sowie der Bonddrahtkontakt auf dem Halbleiter und den Gehäuseanschlüssen. Der Wirkungsgrad lässt sich durch die Reduzierung der Leitungsverluste in jedem dieser Bereiche oder über das Leiterplattendesign erheblich verbessern.

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Bild 1. RON ist ein Produkt der kumulierten Widerstände vom Drain zur Source eines MOSFETs

Innovationen beim Wandlerdesign: Verbesserung des Wirkungsgrad in 48-V-Systemen 

Insbesondere im Automobilbereich wurden in vielen Ländern gesetzliche Regelungen erlassen, aufgrund derer die Hersteller Elektrofahrzeuge entwickeln, um die Grenzwerte zu erreichen. Infolgedessen gewinnen 48V-Mild-Hybrid-Fahrzeuge zunehmend an Bedeutung, die eine kostengünstigere Lösung bieten und dennoch die CO2 -Emissionen reduzieren. Der Hauptunterschied zwischen Mild-Hybrid- und Standardfahrzeugen ist die Versorgungsspannung der Batterie. Mild-Hybrid-Systeme verwenden eine 48-Volt-Batterie, die die vierfache Spannung von Standardsystemen (12 V) aufweist. Da jedoch alle anderen Elemente wie die Steuergeräte gleichbleiben, wird die Differenz zwischen Eingangs-/Ausgangsspannung deutlich höher. Um die Umwandlung von hohen Spannungen in die niedrigen Spannungen von modernen integrierten Schaltungen in einer einzigen Stufe zu ermöglichen, hat ROHM die Nano Pulse Control™-Wandlertechnologie entwickelt. Durch die Reduzierung der Einschaltzeit des DC/DC-Wandlers von typisch über 100 Nanosekunden auf einige Nanosekunden ermöglichen Komponenten mit Nano-Pulse-Control eine stabile Regelung bei extrem schmalen Pulsbreiten.

Eine technische Hürde, um bei hoher Frequenz aus einer höheren Eingangsspannung eine niedrigere Ausgangsspannung zu erreichen, ist die Verringerung der Schaltpulsbreite. Die Schaltpulsbreite eines DC/DC-Wandlers ist eine Funktion der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der Schaltfrequenz und wird wie folgt berechnet:

t_on=V_OUT/V_IN ÷f

(ton: Schaltpulsbreite, VOUT: Ausgangsspannung, VIN: Eingangsspannung, f: Schaltfrequenz)

Gleichung. Formel zur Berechnung der Schaltpulsbreite

Wie aus der Gleichung ersichtlich ist, wird die Schaltpulsbreite mit steigender Eingangsspannung, sinkender Ausgangsspannung und steigender Frequenz schmaler. Daher wird für 48V-Mild-Hybrid-Systeme eine Methode zur Reduzierung der Schaltpulsbreite benötigt. Um die Impulsbreite zu reduzieren, müssen jedoch zunächst Probleme im Zusammenhang mit der Rauschentwicklung beim Schalten gelöst werden.

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Bild 2. Die Schaltpulsbreite wird mit steigender Eingangsspannung, sinkender Ausgangsspannung und steigender Frequenz schmaler

Wenn es im IC zum Schaltrauschen kommt, kann der Betrieb instabil werden. Um dies zu verhindern, nutzen konventionelle Steuerungsmethoden die Maskenzeit. Außerdem ist für den Betrieb eine Analogschaltung erforderlich, die eine Verzögerungszeit einführt. Diese beiden Faktoren, die durch den erhöhten Rauschanteil entstehen, vergrößern die Pulsbreite.

Es wird eine analoge Steuerung benötigt, die Hochspannungsprozesse und ultraschnelle Impulssteuerungsschaltungen nutzt, um vor dem Entstehen von Rauschen Informationen zu erkennen und entsprechend zu reagieren.

ROHMs vertikal integriertes Produktionssystem in Verbindung mit der proprietären Analog-Design-Technologie und dem Prozess-Know-how für Stromversorgungen ermöglichen eine derart kurze Einschaltzeit. Nano-Pulse-Control-Bauelemente wandeln Spannungen von bis zu 76 V in einer einzigen Stufe auf 2,5 V. Sie erzielen damit wesentlich höhere Wirkungsgrade als bei der Verwendung von mehreren Wandlern. Ein weiterer Vorteil von Nano Pulse Control ist, dass der Hochfrequenz-Schaltkreis (über 2 MHz) zu kleineren Bauteilen führt und die Schaltung weniger Platzbedarf benötigt.

Fortschritte bei Leistungs-MOSFETs reduzieren RON

Der RON-Wert von MOSFETs ist einer der wichtigsten Faktoren, um den Wirkungsgrad von DC/DC-Wandlern zu verringern. Die Minimierung dieses Werts hat deshalb Priorität bei der Realisierung einer einstufigen Spannungswandlung. Eine Technologie zur Reduzierung des RON für Leistungs-MOSFETs sind Kupfer-Clips (Cu-Clips). Bei dieser Technologie wird eine massive Kupferbrücke zwischen der Oberfläche des Leistungshalbleiters und den Gehäuseanschlüssen verwendet. Die Vorteile der Kupfer-Clip-Technologie reichen von geringeren RON-Verlusten bis hin zu reduzierten induktiven Störeinflüssen auf den Zuleitungen.

Der Hauptgrund für diese Vorteile ist, dass die Kupferbrücke mehrere lange, dünne Bonddrähte eliminiert – zusammen mit ihren jeweiligen Übergangswiderständen und induktiven Störeinflüssen. Darüber hinaus führt das Kupfer-Clip-Gehäuse die Wärme effektiver ab, was in Verbindung mit einem geeigneten Kühlkörper die Betriebstemperatur des Bauelements zusammen mit dem RON reduziert. Da die Kupferformen im Kupfer-Clip-Gehäuse groß sind und eine große Kontaktfläche mit dem Halbleiter haben, leiten sie die Wärmeenergie effizienter zu einem Kühlkörper. Dadurch sind wesentlich kleinere Kühlkörper erforderlich und die Abmessungen der Leiterplatte verringern sich.

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Bild 3. Vergleich des RON und der Stromkapazität von 5060-Leistungs-MOSFET-Gehäusen, eines mit konventionellem Die-Bonding und eines mit Kupfer-Clip-Technologie

Fazit

Mit der zunehmenden Verbreitung von High-Voltage-Stromschienen und dem sinkenden Bedarf an Stromschienen für digitale Schaltungen, steigt die Nachfrage nach hocheffizienter DC/DC-Wandlung. Die Reduzierung der Wandlerstufen auf eine einzige Stufe sorgt ebenso wie das innovative, die Leitungsverluste verringernde Design der MOSFETs für große Effizienzsteigerung. ROHM Semiconductor ist Vorreiter bei der technologischen Entwicklung in diesen Bereichen. Das Unternehmen bringt immer wieder neue DC/DC-Wandler und MOSFETs auf den Markt, die die Grenzen der konventionellen Leistungselektronik überwinden und für die Zukunft gerüstet sind. 

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