PoL mit LDO
Störungsfreie und rauscharme Spannungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Den Spannungsabfall minimieren
Um die bestehenden Einschränkungen bei der Verwendung von LDOs in den typischen „Point of Load“-Anwendungen zu überwinden, müssen eine ganze Reihe von Problemen gelöst werden. Damit der LDO mit Versorgungsspannungen bis herunter zu 1,045 V betrieben werden kann, muss die interne Schaltung auch unterhalb von 1,0 V noch störungsfrei arbeiten. Jede der neu eingeführten Funktionen dieser Regler muss auch bei diesen niedrigen Spannungen funktionieren, das heißt u.a.: Schutz gegen Überstrom und Kurzschluss und ein stabiler Regelkreis.
Die Auslegung des Querstroms in einer Größenordnung zwischen 2 und 3 A bedeutet für das Design des LDO, dass sich die Regelstrecke trotz der sehr niedrigen Spannung sehr genau einstellen lassen muss, um insbesondere die Anlaufschaltung und die Strombegrenzung stets funktionsbereit zu halten. Hinzu kommt, dass trotz des geringen Abstands der Versorgungsspannung zur Ausgangsspannung das Antwortverhalten des LDO nicht beeinträchtigt sein darf, um die Welligkeit ausreichend klein und innerhalb der Grenzen der Spezifikation zu halten. Trotz der Restriktionen ist ein hoher Wirkungsgrad in jedem Falle aufrechtzuerhalten. So lässt sich z.B. eine 1,2-V-Versorgungsspannung auf der Platine mit einem Wirkungsgrad von 91,6 % auf 1,1 V herabsetzen, wenn der Spannungsabfall über die Regelstrecke genügend klein bleibt.
Das Unternehmen Exar bietet mit den Bausteinen XRP6274/75 integrierte analoge Spannungsregler an, bei denen der Spannungsabfall bei Lastströmen von 2 A bzw. 3 A über den gesamten Temperaturbereich lediglich 75 mV bzw. 140 mV beträgt. Bild 1 zeigt die Kaskade der Betriebsspannungen, die von einer Standard-Versorgungsspannung abgeleitet werden. Dabei kann ein vollständiges System für die Erzeugung der unterschiedlichen Betriebsspannungen mit einem Satz von XRP6274/75-Spannungsreglern aufgebaut werden. Von den I/Os, die in der Regel bei 2,5 V arbeiten, bis herunter zu Spannungsversorgung von Cores, DDR3-Speichern und FPGAs können alle Bausteine eines Board versorgt werden, ohne dass zusätzliche Hilfsspannungen erforderlich wären und der Entwickler mit Störsignalen und Störstrahlungen (EMI) kämpfen müssen.
Die Spannungsregler XRP6274/75 arbeiten ohne Ladungspumpe, trotzdem lassen sich die Ausgangsspannungen im gesamten Bereich von einer einzigen Versorgungsspannung zwischen 1,045 und 2,625 V ableiten. Der sehr niedrige Spannungsabfall über die Regelstrecke ermöglicht die Realisierung von Spannungsanpassungen mit gutem Wirkungsgrad, der den der Schaltnetzteile in diesem Spannungsbereich durchaus übertrifft. Dabei beträgt das Rauschen auf der Ausgangsspannung 200 µVeff, gemessen in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 kHz. Der Baustein XRP6275 erreicht bei Lastströmen bis zu 3 A Wirkungsgrade oberhalb von 90 %. Die LDO-Spannungsregler sind in ein Gehäuse mit den Abmessungen 3 × 3 × 0,8 mm³ eingebaut.
Bild 2 zeigt eine typische Beschaltung des XRP6275-LDO-Spannungsreglers, die mit lediglich fünf externen, passiven Bauelementen auskommt. Dabei ist der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen LDO-Spannungsreglern vergleichsweise gut: bis zu 88,9 % werden hier bei der Abwärtsregelung einer Versorgungsspannung von 1,35 V auf eine Betriebsspannung von 1,2 V bei Lastströmen zwischen 2 A und 3 A erreicht. Die guten Eigenschaften bieten zusammen mit den minimalen Abmessungen für das Layout einer Leiterplatte die Möglichkeit, die Bausteine in der unmittelbaren Nähe des zu versorgenden Bausteins zu platzieren.
Bild 3 zeigt die interne Blockschaltung des Bausteins mit den gängigen Schutzmechanismen. Dabei umfasst der Schutz gegen zu hohe Lastströme zusätzliche Maßnahmen bei einem Kurzschluss. Hierzu gehört auch ein fortlaufendes kurzzeitiges Wiedereinschalten, bis der Kurzschluss behoben ist. In Abhängigkeit von der Impedanz des Kurzschlusses wird bei der Initialisierungssequenz mit einem reduzierten Betrag von 10 % bis 50 % der nominellen Betriebsspannung gearbeitet. Für den Schutz vor zu hohen Betriebstemperaturen ist auf dem Chip ein Komparator mit Hysterese implementiert, über den der Chip bei 160 °C in einen Reset-Zustand versetzt wird, in dem nur ein minimaler Eingangsstrom fließt. Der Baustein läuft wieder an, wenn die Chip-Temperatur um 30 K gesunken ist. Zusammen mit dem Überstromschutz reduziert diese Schutzschaltung die Aufheizung des Chips und der Umgebung.
Mit dem Schaltkreis für den sanften Anlauf erreicht der XRP6274 die nominelle Ausgangsspannung nach dem Einschalten über einen sägezahnförmigen Verlauf. Damit werden Stromspitzen vermieden, die insbesondere beim Aufladen des Ausgangskondensators zu hohen Eingangsströmen führen. Eine interne Einschaltsequenz läuft dabei in etwa 50 µs ab, danach wird die Referenzspannung über einen Zeitraum von etwa 2 ms kontinuierlich bis zum Sollwert hochgefahren. Um den Schaltkreis bei Kurzschluss des Eingangs schließlich gegen eine Entladung des Ausgangskondensators über die parasitäre Diode über dem Ausgangstransistor zu schützen, wurde im XRP6274 eine Diode in den Ausgangskreis eingefügt, die eben diesen parasitären Strom blockiert. Bild 4 und Bild 5 zeigen die Antwort des Schaltkreises auf einen plötzlichen Lastwechsel von 20 mA auf 3 A Ausgangsstrom mit di/dt = 2 A/µs. Die Änderung der Ausgangsspannung bleibt hier bei Anstieg und Abfall unter 100 mV. Ein Lastwechsel von 1 A auf 3 A mit der gleichen Impulssteilheit hat Spannungsänderungen in der Größenordnung von 50 mV zur Folge.
Die Einsatzmöglichkeiten für diesen rauscharmen analogen Spannungsregler sind vielfältig. Da sich die Ausgangsspannung bis auf 0,6 V mit einer Genauigkeit von ±5 % einstellen lässt, ist er auch für FPGA-Bausteine, DSPs, ASICs und SoC geeignet. Wegen des guten Wirkungsgrads und der geringen Abmessungen eignet sich der Baustein generell für „Point of Load“-Lösungen für Grafik- und Mikroprozessoren, aber auch für die Spannungsversorgung von Low-Power-Digitalschaltungen, zur Versorgung von Steckkarten in PC-Systemen oder für die Nachregulierung des Ausgangs von Schaltreglern.
- Störungsfreie und rauscharme Spannungen
- Den Spannungsabfall minimieren
