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Hochintegrierte Power-Modul-Alternative

Rauscharm und für Zynq-UltraScale+-RFSoC

11. November 2020, 9:03 Uhr | Heng Yang

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Modulreihe bietet großes Maß an Flexibilität

Aus einer Familie, die Bausteine mit 1, 2 und 3 A anbietet, stammt der MPM3606A für 21 V und 0,6 A. Diese Modulreihe bietet ein großes Maß an Flexibilität für das Spannungsversorgungs-Design. Die Leistungsfähigkeit dieses Referenzdesigns ist vollständig für die Xilinx-Anforderungen verifiziert. Bild 4 zeigt dazu die Spannungsverläufe der Ein- und Ausschaltsequenz.

MPS‘ Power-Modul-Serie MPM3695 mit integrierten Induktivitäten bietet vielfältige Lösungen, um FPGAs und ASICs zu versorgen. So ist der Ausgangsstrom der MPM3695-Serie skalierbar durch die Parallelschaltung von mehreren MPM3695-25 oder MPM3695-10. Verglichen mit diskreten POL-Lösungen bietet die MPM3695-Serie eine um bis zu 60 Prozent höhere Leistungsdichte. Durch die minimale Anzahl externer Komponenten wird das Platinenlayout und Leistungsstufendesign vereinfacht.

Für eine erfolgreiche Arbeit sind nur geringe Kenntnisse über das Design von DC/DC-Wandlern und Kompensationsnetzwerken notwendig. Aufgrund der monolithisch integrierten Struktur des Power-IC, der angepassten integrierten Induktivität und modernster Verpackungstechnologie erreicht die MPM3695-Serie eine um 40 Prozent geringere Platinenfläche gegenüber konkurrierenden Power-Modulen.
Bild 5 und 6 zeigen die Lastsprungantwort eines 25-Prozent-Lastsprungs mit einer Steilheit von 100 A/µs sowie die Ausgangswelligkeit bei Volllast. Wie in den Bildern zu sehen ist, liegt die Ausgangspannungs-Abweichung unter ±3 Prozent während des Lastsprungs, und im eingeschwungenen Zustand liegt die Ausgangswelligkeit bei unter 10 mV.

Power-Module für den ZCU1275

Bestandteil des Xilinx-Ultrascale+-RFSoC sind Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler (ADC) und D/A-Wandler (DAC), die höchst rauscharme Spannungen benötigen. Ein Schaltregler (SMPS) hat den Vorteil hoher Effizienz gegenüber traditionellen (Low-Dropout-) Linearreglern (LDO). Aufgrund seiner Schaltvorgänge erzeugt ein SMPS-Schaltwandler Welligkeit auf der Schaltfrequenz und seinen Oberwellen. MPS-Power-Module verwenden hier zweistufige CLC-Filter, um die Ausgangswelligkeit für die empfindlichen ADC- und DAC-Spannungen zu minimieren. Das EVREF0102A ist das Power-Modul für die HF-Datenwandler, entwickelt für das ZCU1275 Zynq UltraScale+ RFSoC Characterization Kit.

Für alle HF-A/D- und -D/A-Versorgungs- spannungen liegt die Ausgangswelligkeit unter 1 mV. Das EVREF0102A enthält fünf hocheffiziente Abwärts- Schaltreglermodule mit im Gehäuse integrierten Induktivitäten. Dies sind das MPM3833C, ein sehr kompaktes 6-V-3-A-Abwärtswandler-Power-Modul, und das MPM 3683-7, ein 16-V-8-A-Power-Modul. Beide enthalten eingebaute Schutzfunktionen mit Überstromschutz, Überspannungsschutz, Unterspannungsschutz und Übertemperaturschutz.

Verglichen mit traditionellen Linear-LDO-Lösungen erzeugt das EVREF0102A eine Effizienzverbesserung um 80 Prozent. Das analoge Power-Modul EVREF0102A erzielt zudem höchst rauscharme Spannungen und hält die Xilinx-Spezifikationen für die Hochgeschwindigkeitswandler ein. Dazu laufen die MPS-Power-Module im CCM-Betrieb und verwenden zusätzliche passive Ausgangsfilter. Passive CLC-Filter entstören die zwei sensitiven ADC-and DAC-Versorgungsspannungen. Kapazitive Filterung entstört die weiteren Versorgungsspannungen.

In den Bildern 8 bis 11 ist ein Vergleich zwischen traditionellen linearen LDO-Lösungen gegenüber MPS-Power-Modulen dargestellt. Ermittelt wurden die experimentellen Resultate im Xilinx-Labor an einem ZCU1275-Entwicklungs-Kit. Wie in den Bildern gezeigt, ist der Rauscheinfluss der MPS-Power-Module vergleichbar mit dem traditionellen Linear-LDO-Ansatz.

Heng Yang, Ph.D., ist Senior Applications Ingenieur bei MPS.