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Linear Technology

Powermanagement für digitale Hochleistungs-ICs

16. November 2017, 8:30 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

LTC7150S schafft bis zu 400 W

Um diese speziellen Bedürfnisse zu befriedigen, hat Linear Technology die Familie aus monolithischen Hochstrom-Reglern LTC71xx vorgestellt. Das neueste Mitglied ist der LTC7150S (Bild 1), ein monolithischer synchroner 20-V-/20-A-Abwärtsregler mit differenzieller virtueller Remote-Sense-Messung der Ausgangsspannung U_OUT. Das IC verfügt über eine »Valley-Current-Mode-Architektur«, bei der die Einschaltdauer des Highside-MOSFETs vorgegeben ist und die Einschaltdauer des Lowside-MOSFETs sich über den Stromkomparator bestimmt. Zudem lässt sich das IC in seiner Phasenlage verriegeln (Phase Lockable). Dadurch vereinfacht sich die Kompensation, und mit einer minimalen Einschaltdauer von nur 25 ns eignet sich der Baustein für Anwendungen mit hohen Übersetzungsverhältnissen, hohen Frequenzen und schnellem Einschwingverhalten.

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Integrierte n-Kanal-MOSFETs liefern kontinuierliche Lastströme bis zu 20 A mit recht geringem thermischen Derating bei Ausgangsspannungen von 0,6 V bis hoch zur Eingangsspannung. Dadurch eignet sich das IC besonders für Point-of-Load-Anwendungen für Designs mit DSPs, FPGAs oder ASICs. Weitere Anwendungen sind Tele- und Datacom-Systeme, verteilte Stromversorgungsarchitekturen und ganz allgemein Systeme mit hoher Leistungsdichte.

Der LTC7150S ist im thermisch verbesserten 6 mm × 5 mm × 1,3 mm großen BGA-Gehäuse mit 42 Anschlüssen erhältlich – bleifrei gemäß RoHS oder in SnPb-(63/37)-Ausführung. Die E- und I-Versionen sind für den Betrieb von –40 °C bis +125 °C Sperrschichttemperatur spezifiziert.

Wirkungsgrad, EMV und Einschwingen

Das »S« in der Teilenummer des LTC7150S weist auf die zweite Generation der Silent-Switcher-Technik hin. Das IC besitzt integrierte Keramikkondensatoren an den UIN- und BOOST-Anschlüssen, um alle schnellen AC-Stromschleifen klein zu halten, was die EMV verbessert. Außerdem werden die Schaltflanken steiler, was den Wirkungsgrad bei höheren Frequenzen spürbar anhebt.

Durch die besondere, gesteuerte Ein-Zeit-Architektur kann der Baustein schnell auf Lastsprünge reagieren. Erkennt er einen solchen Sprung, steigt die Schaltfrequenz an, sodass der Spulenstrom besser dem folgen kann, was am Ausgang des Fehlerverstärkers sein sollte. Dadurch lässt sich der Fehlerverstärker über den ITH-Anschluss aggressiver kompensieren, was die Bandbreite der Regelschleife insgesamt vergrößert.

Ein Schlüssel, einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Frequenzen zu erreichen, besteht darin, dass die Totzeit signifikant reduziert werden konnte. Eine Hilfsschleife im IC begrenzt die Totzeit vor der steigenden Flanke am Schaltknoten SW auf unter 1 ns. Die reduzierte Totzeit minimiert respektive eliminiert die Notwendigkeit, die Body-Diode mit dem Low-Side-Schalter zu verbinden. Dies wiederum eliminiert im Grunde die Auswirkung der Body-Diode des Low-Side-Schalters, da der High-Side-Schalter schon eingeschaltet ist, wenn diese zu leiten beginnen würde.

Der LTC7150S nutzt die Silent-Switcher-2-Technik einschließlich integrierten Bypass-Kondensatoren, um einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Frequenzen und gutem EMV-Verhalten zu bieten. Beim Mehrphasenbetrieb mit bis zu zwölf Phasen lassen sich mehrere Bausteine direkt parallel schalten, um einen höheren Ausgangsstrom mit minimalen Ein- und Ausgangskapazitäten zu erzielen. Die Betriebsfrequenz kann von 400 kHz bis 3 MHz frei gewählt werden und das IC lässt sich mit einem externen Takt synchronisieren. Die virtuelle Remote-Sense-Messung von U_OUT stellt sicher, dass die Spannungsregelung am Verbraucher immer akkurat ist, unabhängig vom Laststrom oder Leiterplattenlayout. Sein Eingangsspannungsbereich von 3,1 V bis 20 V unterstützt eine Vielzahl an Applikationen sowie die meisten Intermediate-Bus-Spannungen und ist auch kompatibel zu den meisten Batteriespannungen. Die Gesamtgenauigkeit der Ausgangsspannung beträgt ±1 % für Sperrschichttemperaturen von –40 °C bis +125 °C. Zusätzliche Eigenschaften sind ein schneller Differenzverstärker für die Fernmessung, ein Phasenwähl-Pin PHMODE, ein genauer Schwellwert für den RUN-Pin von 1,2 V, ein Überspannungsschutz an U_IN sowie Anschlüsse für Power Good und programmierbares Soft-Start bzw. Tracking.

Ein Strom mit geringerer Welligkeit verringert die Kernverluste in der Spule, ESR-Verluste in den Ausgangskondensatoren und die Welligkeit der Ausgangsspannung. Ein Betrieb mit hohem Wirkungsgrad wird bei kleinen Frequenzen mit kleiner Stromwelligkeit erzielt. Um dies zu erreichen, ist jedoch eine große Spule nötig. Es gilt also abzuwägen zwischen den Abmaßen der Komponenten, dem Wirkungsgrad und der Betriebsfrequenz. Bild 2 zeigt den hohen Wirkungsgrad des LTC7150S, Bild 3 sein Einschwingverhalten.