PoL-KONVERTER
Maximale Power im μ-Bereich
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
CHIP-EMBEDDED-TECHNOLOGIE - PoLs DER NÄCHSTEN GENERATION
Da die Hauptplatinen auf kleinere Plattformen wie PCIe, CoM-Karten, SSD, Edge- und AI-Computing schrumpfen, verlangt der Markt nach kompakteren Lösungen für die Energieumwandlung. Um eine schrittweise Verbesserung zu erreichen, hat TDK mit dem Design seiner neuen μPOL-Reihe modulare PoLs für Systeme mit 5 W bis 150 W einen „leeren Whiteboard“-Ansatz gewählt (Bild 4).
Proprietäre, patentierte Technologien wurden kombiniert, um eine dramatische Verbesserung des Platzbedarfs auf nur 25 Prozent des Platzbedarfs der Wettbewerber zu erreichen, wobei die Stromdichte um den Faktor 4 verbessert wurde. Die FS140x-Serie, die zunächst in den Versionen 3 A, 4 A und 6 A erhältlich ist, wird in Zukunft auf 25 A und weiter auf 100 A erweitert. Die jetzt erhältlichen Produkte sind in einem winzigen 3,3 mm x 3,3 mm-Gehäuse von nur 1,5 mm Höhe für die Platzierung in höhenbegrenzten Bereichen wie auf der Rückseite der Hauptplatine oder unter anderen Komponenten wie Kühlkörpern und Tochterplatinen erhältlich. Die erreichte Leistungsdichte beträgt die bestmögliche in dieser Klasse -> 1 W/mm3 – 15 W in einem 3,3 mm x 3,3 mm großen Bereich ohne Luftstromkühlung. Wie bei konkurrierenden PoLs müssen für eine voll- ständige Implementierung externe Eingangs- und Ausgangskondensatoren hinzugefügt werden, die jedoch aufgrund der hohen Schaltfrequenz klein sind. Aus Systemsicht ist es besser, die Kondensatoren extern hinzuzufügen, da sie für die genauen Spannungs- und Lasttransienten-Anforderungen der Anwendung dimensioniert werden können. Andernfalls müssten die Kondensatoren für die höchstmögliche Last und die höchstmögliche Eingangs- und angepasste Ausgangsspannung dimensioniert werden, was unnötige Kosten und Platinenplatz bedeutet.
Mit dem TDK μPOL in einer Minimalkonfiguration sind außer den Eingangs-/ Ausgangskondensatoren keine weiteren Komponenten wie Kompensationsnetz- werke, Ausgangseinstellwiderstände, Bootstrap- oder Pin-Entkopplungskondensatoren erforderlich. Der Schlüssel zu den erzielten Verbesserungen liegt in TDKs branchenführender Dünnfilm-Induktortechnologie und einer neuen Technik, SESUB oder Semiconductor Embedded in SUBstrate, bei der die MOSFETs und der Steuer-IC in die Schichten eines 250 μm dicken Substrats integriert sind, auf dem der Induktor aufgebracht ist. Es gibt keine Drahtbonds, was die Bauelemente sehr robust macht. Und die Teile sind leicht, sie eignen sich daher für Drohnen, industrielle Bildverarbeitung und andere Anwendungen mit kleinem Formfaktor. Die thermischen Eigenschaften werden so gesteuert, dass die Wärme von IC und Induktor effektiv durch die Substratabschlüsse auf die Hauptplatine geleitet wird. Dies ist so effektiv, dass der Temperaturanstieg des Moduls bei vollen 6 A Ausgang nur 41°C beträgt (bei 12 V Eingang und 1,8 V Ausgang).
SYSTEMVORTEILE MIT DEM μPol
Die winzige Grundfläche des μPOL ermöglicht die Nutzung kleinster Flächen für die Spannungsregelung in der Nähe von Zielgeräten. Die Ausgangsspannung ist von 0,4 V bis 5 V wählbar, und der Eingangsspannungsbereich beträgt 4,5 V bis 16 V mit einer einzigen Versorgung und 2,5 bis 16 V mit einer zusätzlichen Hilfsversorgung, die eine Vorspannung bereitstellt. Die Anwendungen sind skalierbar, da die Bauteile von 3 A bis 6 A die gleiche Grundfläche haben.
Die integrierte Überwachungs- und Steuerungsfunktionalität des μPOL fügt auch bedeutende Systemvorteile hinzu: zum Beispiel kann ein „Power Good“-Ausgang und ein „Enable“- Eingang für die „ratiometrische“ oder „gleichzeitige“ Leistungssequenzierung mehrerer μPOLs verwendet werden. Der Schutz ist umfassend mit einer Überwachung von Ausgangsüberspannung, Eingangsunterspannung und Ausgangsüberstrom oder Kurzschluss, alle mit wählbaren Schwellenwerten, mit Abschaltung im „Hiccup“-Modus. Die Bausteine arbeiten im Bereich von -40°C bis +125°C mit programmierbarer thermischer Abschaltung und automatischer Wiederherstellung.
Die integrierte I2C-Schnittstelle unter- stützt die Modi Fast und Fast Plus und ermöglicht eine Vielzahl von Einstellungen über PMBus-Befehle:
➔ Einstellbare Ausgangsspannung: 0,4 V bis 5 V mit 5 mV Auflösung (Versionen mit festem Eingang anfänglich verfügbar – Variantenabhängig)
➔ Trimmung der Ausgangsspannung: +/-0,5 % Anfangsgenauigkeit
➔ Optionale Sanftanlauf- und Stoppraten: 0,5 mV/μs oder 1 mV/μs
➔ Einstellbarer PGood-Schwellenwert: 85 %, 90 % und 95 % von Vout
➔ Einstellbarer OVP-Schwellenwert: 105%, 110%, 115% und 120% von Vout
➔ Einstellbares OVP-Schema: Verriegelung, Entriegelung
➔ Einstellbarer OCP-Grenzwert: bis zu 8 A mit 250 mA Auflösung
➔ Einstellbarer OTP-Schwellenwert: 75°C, 85°C, 125°C und 145°C
➔ Wählbare Betriebsarten: „nicht- lückender Betrieb“ (CCM) oder „lückender Betrieb“ (DCM) für EMI und Effizienzoptimierung
Mit einer großen Auswahl an Geräten, Optionen und Einstellungen können Systementwickler Anwendungen mit dem μPOL für minimale Systemkosten und maximale Funktionalität abstimmen.
ANWENDUNGSBEISPIEL
Bild 6 zeigt den TDK μPOL, konfiguriert für Vin = 12V, Vout = 1,8V und Iout = 6 A mit einem Ripple-Spannungsbedarf von weniger als +/-1 % Vout pp und einer maximalen Vout-Abweichung von +/-3 % bei einem Lastschritt von 3 A. Der μPOL-Baustein FS1406 und 2 x 22-μF-Kondensatoren werden zunächst sowohl für Cin als auch für Cout gewählt. Die Schaltfrequenz Fsw beträgt 2 MHz.
Die Auswahl des Eingangskondensa-tors hängt von der Handhabung des Oberwellenstroms IRMS ab. Bei einem Abwärtswandler, der mit dem Tast-verhältnis D arbeitet, ist dies gegeben durch:
In diesem Fall beträgt Iout = 6 A und D = Vout/Vin = 0,15, was einen IRMS- Wert von 2,14 A ergibt, der von zwei 16-V-Kondensatoren mit 22 μF des Typs TDK C3216X5R1C226M160AB problemlos verarbeitet werden kann. Die Mindestanzahl der erforderlichen Ausgangskondensatoren, NMIN, um die Soll-Restwelligkeit ΔVout zu erreichen ist gegeben durch:
TDK MLCC-Kondensatoren C2012X5R- 0J226K125AB haben einen ESR von 3 mΩ, einen ESL von 0,44 nH und eine effektive Kapazität von 12 μF bei 1,8 V. Die NMIN beträgt 1,27, sodass zwei Kondensatoren wie angenommen ausreichend sind.
Die Mindestanzahl von Kondensatoren zur Erfüllung des Lasttransientenverhaltens ΔVoutmax mit Lastschritt ΔIout ist gegeben durch:
Bei 12 μF ist die NMIN 0,4, sodass zwei TDK-Kondensatoren C2012X5R0J- 226K125AB wieder eine gute Lösung sind. Die resultierenden Restwelligkeits- und Lasttransienten-Antwortplots sind in Bild 7 und Bild 8 dargestellt. Sie zeigen nur 15,19 mVpp Welligkeit oder 0,8 % und etwa 30 mV Abweichung oder +/-1,7 % mit Lastschritten.
Bei höheren Ausgangsspannungen sinkt die Mindestanzahl der 22-μF- Ausgangskondensatoren bei gleicher Restwelligkeit und transienter Last und oberhalb von 2.25 V Ausgang ist nur noch einer erforderlich.
TDK μPOL BEINHALTET UMFASSENDE UNTERSTÜTZUNG
Um das Design-in des μPOL (www. avnet-abacus.eu/tdk-micropol) zu unterstützen, bietet TDK eine Reihe von Werkzeugen an, darunter Allzweckevaluierungs-Boards mit Schnittstellen für den Zugriff auf den I2C-Bus und mit einer einfach zu bedienen- den GUI zur Einrichtung der Bauteile. Darüber hinaus sind auch „Power Strip Design Boards“ mit bis zu acht μPOL- Einheiten erhältlich, die alle Schienen, einschließlich Sequenzierungs-Boards, für Xilinx Spartan 7, Artix 7, Zynq 7, Zynq UltraScale+, Zynq UltraScale+ RFSoC, Versal ACAP (Versal Prime Series) und andere FPGAs von Anbietern wie Altera, NXP (i.Mx8, LS-Serie), Marvell/Cavium und Microsemi bereit- stellen. Für eine schnelle Implementierung werden Schaltpläne zusammen mit PCB-Layout-Ausschnitten für ORCAD/Allegro, Altium und Mentor PADs+/Xpedition CAD-Programme bereitgestellt. „Ready to go“-Power- Subsystem-Lösungen für Hersteller- FPGAs sind von TDK erhältlich, und als zertifiziertes Mitglied des Xilinx „Alliance Program Certified Member“ hat TDK komplette Referenzdesigns für FPGAs wie die Zynq7-Serie erstellt.
Die μPOL-Komponenten von TDK stellen einen Durchbruch bei der Leistungsdichte und der Größe der Grundfläche für PoLs bis zu sechs Ampere dar, wobei sich Bauteile mit höheren Nennleistungen in der Pipeline befinden. Die „Plug-and-Play“- Lösung spart Platz und Entwurfszeit, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Als System- und nicht als Bauteillösung reduziert der μPOL den Bedarf an externen Bauteilen und den damit verbundenen Platzbedarf auf der Leiterplatte, wodurch Gesamtkosten eingespart werden. Die Möglichkeit, die Leistung über den I2C-Bus zu programmieren, bietet Designflexibilität, und die Markteinführungszeit wird durch die hervorragende Unterstützung der Designtools von TDK verkürzt.
Die Autoren
Benjamin Dirmhirn
arbeitet als Business Development Manager bei Avnet Abacus. Diesem Teil der Avnet Gruppe gehört er seit zwei Jahren an und ist dort für den Bereich Stromversorgungen und Batterien verantwortlich. Bevor Dirmhirn zur Avnet Gruppe wechselte, war er mehrere Jahre bei einem Hersteller von Leistungselektronik im technisch beratenden Vertrieb tätig.
Philip Lechner
studierte Elektronik und Telekommunikation in Amsterdam, bevor er im Verkauf elektronischer Komponenten seinen Berufsweg startete. Im Elektronikvertrieb ist er seit 34 Jahren tätig, davon 13 Jahre als Außendienstingenieur für Leistung, Halbleiter und IP&E sowie über 20 Jahre im Produktmanagement für Stromversorgungen und DC-DC-Wandler für Avnet Abacus.
Hier klicken für mehr Informationen zu TDK’s µPOL DC-DC Convertern.
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