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Point-of-Load-Wandler

Hundert Ampere und mehr

9. September 2014, 8:25 Uhr | von Dr. Fariborz Musavi

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

SEPIC-gespeister Abwärtswandler

Der Umstieg auf einen SEPIC-gespeisten Abwärtswandler (SEPIC-Fed Buck, SFB; Bild 1) erhöht den Wirkungsgrad bei der Leistungswandlung und verbessert das Transientenverhalten. Zudem hält er die Einfachheit sowie die geringen Kosten des synchronen Tiefsetzstellers aufrecht. Sowohl die Leitungs- als auch die Schaltverluste werden adressiert. Um die Leitungsverluste des Abwärtswandlers zu mindern, kommen mehrere Stromversorgungspfade zum Einsatz, die den Laststrom aufteilen. Dadurch verringern sich die Leitungsverluste mit dem Quadrat der Stromreduzierung. Ein Beitrag zu geringeren Verlusten ist ein niedrigerer Gleichstromwiderstand in den Induktivitäten – und zwar bei geringer Last, wie sie sich bei einer mehrphasigen Topologie und niedrigen Ausgangsspannung ergibt, die für 100-A-fähige Wandler erforderlich ist.

Die Mehrfach-Strompfade sind entscheidend für einen SEPIC-gespeisten Abwärtswandler und verringern die Spannungsbelastungen der Bauteile um fast die Hälfte. Damit lassen sich im Vergleich zu einem Standard-Tiefsetzsteller nun MOSFETs und Kondensatoren mit niedrigerer Nennspannung einsetzen. Da diese eine höhere Leitfähigkeit bieten, lassen sich MOSFETs mit einem niedrigeren charakteristischen R_DS(on) anstelle rein für Buck-Regler ausgelegter Bausteine einsetzen, was die Leitungsverluste weiter verringert. Die Kombination aus SEPIC und Abwärtswandlung erlaubt sowohl das gleichzeitige Ziehen von Eingangsstrom als auch das dauerhafte Abgeben von Laststrom. Wird der Abwärtswandler abgeschaltet, ist der SEPIC-Wandler aktiv, und umgekehrt.

Der bessere Wirkungsgrad ist nur das Ergebnis der geringeren Leitungsverluste. Die SEPIC-gespeiste Buck-Topologie verringert die Schaltverluste von Standard-Abwärtswandlern, zum Beispiel bei der verzögerten Gate-Abschaltung. Hinzu kommt das extrem schnelle Abschalten durch Ausräumen der Gate-Ladung, was der Gegen-EMK (verursacht durch parasitäre Induktivitäten) entgegenwirkt. Aufgrund der geringeren Spannungs- und Strombelastungen an den Leistungsschaltern reduzieren sich deren Einschaltverluste erheblich.

Die verringerten Stromwerte dieser Architektur führen dazu, dass die integrierten Induktivitäten und erhöhten Rücksetzspannungen ein schnelleres Transientenverhalten der Leistungsstufe ermöglichen. Bei höheren Schaltfrequenzen wirken sich diese Verbesserungen erst recht aus, was die Gesamtleistungsdichte erhöht. In Tests mit dieser Topologie, die von CUI als »Solus Power Topology« bezeichnet wird, zeigte sich, dass bei der SEPIC-gespeisten Buck-Topologie selbst bei den gleichen Schaltbauteilen eines Abwärtswandlerdesigns die Schaltverluste um mehr als 90% sinken können. Ein Wandler auf Basis dieser Topologie lässt sich somit mit höheren Schaltfrequenzen betreiben und kann daher kleinere passive Bauelemente nutzen.

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Die Architektur wirkt sich auch vorteilhaft auf Designs aus, bei denen der Unterschied zwischen Ein- und Ausgangsspannung recht groß ist. Ändert sich das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsspannung bei der Abwärtsregelung von 0,1 auf 0,25, sind die Verluste geringer als bei einem herkömmlichen Abwärtsregler: Die Verbesserung liegt bei 91% beziehungsweise 88%. Steigt das Verhältnis auf 0,66, erhöht sich der Wirkungsgrad immer hin noch um 70% (Bild 2). Die Topologie eignet sich daher besonders für PoL-Anwendungen, die ein breites Wandlungsverhältnis erfordern.

Geringeres Über- und Unterschwingen

Die Forderung, diese Hochstrom-/Niederspannungssysteme effizient zu gestalten, bedeutet, dass die Prozessoren und Support-Logik regelmäßig in Low-Power-Modi versetzt werden müssen. Ihre volle Funktionsfähigkeit müssen sie aber dann sehr schnell wieder ohne Spannungsabweichungen erreichen. Eine Spannungsabweichung von nur 2% kann zu einer vorübergehenden Abschaltung führen. Dies bedeutet, Webseiten-Suchvorgänge oder VoIP-Verbindungen fallen aus und verursachen beim Dienstanbieter mögliche Umsatzausfälle. Das Transientenverhalten und die präzise Stromversorgung sind in diesen hochzuverlässigen Systemen entscheidende Aspekte.

Ein geringerer Strom in den Induktivitäten sorgt für ein verbessertes Transientenverhalten. Bereits bei der Hälfte des Stroms durch die integrierten Induktivitäten kann der Laststrom (in Bezug auf den Laststrom jeder Stufe) doppelt so schnell ansteigen wie bei einem Standard-Abwärtswandler. Treten Änderungen bei der angelegten Spannung auf, kann der Strom in einer SEPIC-gespeisten Buck-Architektur bis zu viermal schneller herunterfahren als bei abgeschaltetem Tiefsetzsteller. Das verbesserte Transientenverhalten verringert die Anzahl und Größe der Entkoppelkondensatoren auf der Platine, was die Größe der Leiterplatte weiter reduziert.