Point-of-Load-Wandler
Systems-on-Chips für Power
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Diskrete oder integrierte Lösung?
Viele Entwickler verwenden eine busbasierte Architektur, bei der ein isoliertes DC/DC-Wandlermodul (Buswandler) die Systemversorgung auf eine gängige Busspannung wie zum Beispiel 12 V, 6 V, 5 V oder 3,3 V regelt. PoL-Module (Point of Load) generieren dann die benötigten Spannungen zur Versorgung des Systems. Diese PoL-Module bestehen meist aus Schaltwandlern oder LDO-basierten diskreten Reglern (Bild 2). Hier sind zusätzlich zum Regler selbst oft viele diskrete, passive Bauteile (Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten) nötig.
Voll integrierte Module bieten heutzutage eine einfach zu handhabende und kostengünstige Alternative. Zwar versprechen diskrete Lösungen oft hohe Effizienz und Flexibilität, jedoch steigt durch die Vielzahl an benötigten Einzelkomponenten auch die Komplexität, was sich auf Baugröße, das Leiterplatten-Layout und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems auswirkt. Ein integriertes Modul vereint den Schaltwandler, HF-Abblockkondensatoren und die Induktivität in einem einzigen Gehäuse und benötigt nur wenige passive Bauteile, was die Anwendung vereinfachen, die Zuverlässigkeit erhöhen und die
Baugröße optimieren kann.
Die »Enpirion PowerSoC«-Module von Altera (siehe Bild oben) sind eine kompakte Lösung für PoL-Anwendungen. Sie arbeiten bei hoher Schaltfrequenz, um die Baugröße von Entkoppelkondensatoren und Induktivität zu reduzieren. Ein möglichst hoher Wirkungsgrad bei vergleichsweise kleinem Formfaktor wurde durch Fortschritte in der verwendeten Technologie der integrierten Leistungstransistoren (LDMOS) möglich. Von Anfang an haben die Entwickler die verwendeten Prozesse, Komponenten und magnetischen Kerne auf den Betrieb bei hohen Schaltfrequenzen ausgelegt und optimiert. Die kompakte Bauweise dieser Komponenten zusammen mit der Integration in einem Gehäuse führt zu einer kleinen Gesamtbaugröße. Störungen, wie sie für PLLs und Transceiver zu vermeiden sind, unterdrücken integrierte HF-Filterkomponenten.
Durch die hohe Schaltfrequenz und die daraus resultierende große Regelbandbreite kann der Wandler schnell auf Lasttransienten reagieren. Dadurch lassen sich nicht nur kostengünstige Keramikkondensatoren am Ein- und Ausgang einsetzen, auch die Zahl der benötigten Stützkondensatoren sinkt. Durch die hohe Integration minimiert sich die Anzahl an zu verwendenden externen Bauteilen, was die Systemzuverlässigkeit steigert und die Gesamtkosten verringert. Für FPGA-Anwendungen vereinfacht sich somit das Leiterplatten-Layout, da sich das Modul auf kleinem Raum in der Nähe der Last platzieren lässt.
Durch das optimierte thermische Verhalten der PowerSoCs kann der maximal spezifizierte Laststrom ohne zusätzlichen Kühlkörper und ohne aktive Kühlung (Luftstrom) im industriellen Umgebungstemperaturbereich bis zu +85 °C unterstützt werden (Bild 3). Die Wandler minimieren die internen Leistungsverluste und leiten Wärme über einen Pfad mit niedrigem Wärmewiderstand durch den kupfernen Lead-Frame ab. Dieser gewährleistet eine Wärmeableitung durch thermische Vias in die Leiterplatte.
All diese Aspekte sollen dabei helfen, die Entwicklungszeit einer FPGA-Spannungsversorgung unter Verwendung von Alteras PowerSoCs erheblich zu verkürzen.
Über den Autor:
Bob Blake ist Business Development Manager in der Enpirion-Division bei Altera.
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