Power Management

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06/2013
sonder
heft
Power Management
MOSFETs
Planar, Trench,
Superjunction,
SiC, GaN . . .
Passive Bauelemente
Kondensatoren,
Induktivitäten und Widerstände für Netzgeräte
Simulationstools
Was bieten die Hersteller
von Leistungshalbleitern
– ein Überblick
Wandler
Effizient,
platzsparend,
sicher
_0AOSQ_maxim_SMT_Silica.pdf;S: 1;Format:(230.00 x 297.00 mm);17. May 2013 11:37:05
Vielen Dank für
wunDerVolle
Jahre
Unsere Welt ändert sich im Nanosekundentakt. Neue Verbindungen entstehen.
Alte Probleme werden gelöst. Und was gestern noch unmöglich erschien, ist heute
schon in Reichweite. Sie schaffen jeden Tag phantastische Dinge durch Technik.
Wir sind stolz darauf, unseren Teil dazu beizutragen.
© 2013 Maxim Integrated Products, Inc. All rights reserved. Maxim Integrated and the Maxim Integrated logo are trademarks of
Maxim Integrated Products, Inc., in the United States and other jurisdictions throughout the world.
Editorial
Iris Stroh
Markt&Technik
High Efficiency Power
Management
Dieses war der
zweite Streich
Es ist gut zwei Jahre her, da initiierte Silica mit »Core’n
More« ein Programm, um sich als Distributionsspezialist
für Mikrocontroller im Markt zu positionieren. Vergleicht
man den Umsatzanteil, den Silica damals und heute mit
Mikrocontrollern erzielt, dann war die Aktion ein voller
Erfolg.
The most optimized
power density
Jetzt folgt mit »Power’n More« die zweite Kampagne, und
dieses Mal hat der Distributor den gesamten Power-Bereich
im Visier. Der Zeitpunkt ist günstig, denn die Effizienz von
Stromversorgungen hat aufgrund strengerer gesetzlicher
Rahmenbedingungen, der zunehmenden Anzahl portabler
Geräte und eines wachsenden Umweltbewusstseins heute
eine viel stärkere Bedeutung.
Von dieser Seite her betrachtet, dürfte die Nachfrage im
Markt also groß sein, weshalb ein Erfolg mehr oder minder
vorprogrammiert ist. Hinzu kommt, dass die Realisierung
von effizienten Stromversorgungen bei weitem keine triviale Aufgabe darstellt, so dass ein guter Support im wahrsten Sinne des Wortes »Gold« wert sein dürfte.
Allerdings ist das Thema »Power« deutlich vielschichtiger als das Thema »Mikrocontroller«: Konnte sich Silica
bei den Mikrocontrollern, vereinfacht formuliert, auf die
wichtigsten ARM-Architekturen und Tools stürzen und
hier Know-how aufbauen, müssen die FAEs sich jetzt mit
viel mehr Fragen wie DC/DC- oder AC/DC-Wandler, welche Topologie, mit oder ohne galvanische Trennung etc.
herumplagen.
Dessen war sich Silica durchaus bewusst. Nicht umsonst
hat der Distributor viel Geld in die Hand genommen, um
hier die notwendige Expertise aufzubauen. Wie viel Wissen erworben wurde, spiegeln die vielen Beiträge der Silica-Power-Experten in diesem Sonderheft wider.
Die Investitionen werden sich für Silica in mehrfacher
Hinsicht lohnen. Neben dem steigenden Bedarf an Stromversorgungseffizienz im Markt kommt ein weiterer Aspekt
hinzu: Beim Thema Power hat der Kampf um jeden halben
Cent noch nicht begonnen, weil es im Vergleich etwa zum
Mikrocontroller-Markt deutlich weniger Konkurrenz gibt.
Und viele Entwickler befassen sich nur ungern mit dem
Thema Stromversorgung, so dass ein guter Support die
Wertschätzung finden sollte, die ihm zukommt. Und weil
das Thema Stromversorgung in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen wird, dürfte auch ein langfristiger Erfolg
gesichert sein.
Iris Stroh,
Markt & Technik
[email protected]
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3
Inhalt
Silica
o6/2013
Interview
Neue Markt-Offensive im Hause SILICA:
Mit Power’n More den Power-Markt aufrollen
6
MOSFETs
Planar, Trench, Superjunction, SiC, GaN:
Die eierlegende Wollmilchsau gibt es nicht . . .
8
Wie gut sind Angaben in Datenblättern?
Der thermische Widerstand – die Unbekannte
11
Der Verlustleistung auf den Pelz gerückt:
Cool bleiben
14
Passive Bauelemente
Avnet Abacus:
Passive Bauteile für Netzgeräte
16
Entwicklungsumgebung
Ein Überblick:
Simulations-Tools der Hersteller
19
22
Die Silica Power-Labs
Power-Experten
Analog Devices: Höhere Effizienz
primär geregelter Schaltnetzteile
Mit Power ’n More reagiert SILICA auf die steigende Nachfrage nach
professioneller Entwicklungsunterstützung bei Leistungselektronik und
Stromversorgungsdesigns – auf System- und Produktebene.
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Diodes: LED-Treiber für High-Brightness-LEDs
24
25
Infineon Technologies: One Stop Shopping
für kleine Elektrofahrzeuge
26
International Rectifier:
Intelligente High-Side-Leistungsschalter
27
Maxim Integrated:
Hocheffiziente synchrone Abwärtswandler
28
On Semiconductor:
Mehr Möglichkeiten, kleinerer Platzbedarf
29
Microchip Technology:
Das Design digitaler Kompensatoren
30
NXP: SMPS-ICs reduzieren die StandbyLeistung und erhöhen den Wirkungsgrad
32
Renesas Electronics:
RJx60 Super Junction MOSFETs
34
STMicroelectronics: VIPER06 in einer
nicht-isolierten AC/DC-Buck-Konfiguration
39
Texas Instruments: DC/DC-Wandler
der Simple Switcher Familie
40
ROHM Semiconductor:
SiC ermöglicht viel höhere Wirkungsgrade
41
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AC/DC-Wandler
Diodes: Super Barrier Rectifieres verbessern
die Zuverlässigkeit von AC/DC-Wandlern
NXP Semiconductors: Hocheffiziente Leistungs- und
Beleuchtungs-ICs sowie zweiphasige PowerMOS
43
Microchip: Höhere Effizienz für AC/DC-Wandler
44
45
46
Texas Instruments:
Netzteil-Controller mit niedrigstem Standby-Strom
48
Renesas Electronics:
Super-Junction-Power-MOSFETs der 600/650-V-Klasse
50
STMicroelectronics: Komplettes Produktspektrum
für eine effiziente AC/DC-Wandlung
52
On Semiconductor:
Schaltregler mit hohem Wirkungsgrad bei geringen Lasten
54
Infineon: Dioden der fünften Generation: 650V thinQ!
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DC/DC-Wandler
Analog Devices:
Power-Management für die Stromversorgung von FPGAs
56
Microchip: Vereint das Beste zweier Welten
63
64
Analog Devices:
isoPower bietet Vorteile für isolierte DC/DC-Wandler
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STMicroelectronics: Effiziente Produkte
für alle Anforderungen im Power-Management
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Texas Instruments: Kleinstes 2,5-A-Powermodul
mit Überspannungsschutz bis 65 V
71
International Rectifier:
DC-DC-Wandler für hochdichte Designs
72
Maxim Integrated: Effizienter DC-DC-Wandler für die
Erzeugung der APD-Vorspannung
Infineon: Synchroner DC/DC-Buck-Controller
58
60
NXP Semiconductors: Höchste Effizienz und
Leistungsdichte für Gleichstrombereitstellung
62
Renesas Electronics:
Schnelle POL-Wandler im kleinen Gehäuse
ROHM Semiconductor:
Hoher Wirkungsgrad bei kleinen Gehäuseabmessungen
Digital Power – flexibel und effizient
Texas Instruments: Abwärtswandler erzielt
höchste Effizienz bei niedrigen Ausgangsleistungen
Infineon: Stromsparende DC/DC-Wandler
­­
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78
3
78
78
Editorial
Impressum
Inserentenverzeichnis
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Silica|Interview Neue Markt-Offensive im Hause SILICA
Mit Power ’n More den
Power-Markt aufrollen
Silica startet seine zweite Offensive. Ging es bei Core’n More um Mikrocontroller,
sprach mit Karlheinz Weigl,
zielt Silica mit Power’n More auf den Power-Halbleitermarkt ab.
Regional Vice President Sales Central Europe von Silica, darüber, wie sich das Unternehmen in diesem
Markt positionieren will, was hinter Power’n More steckt und welche Ziele verfolgt werden.
: Core’n More wurde gestartet, weil Silica im Mikrocontroller-Markt
nicht die Präsenz hatte, die der Distributor sich wünschte. Ist der Hintergrund
bei Power’n More derselbe?
Karlheinz Weigl, Silica: In erster Linie starten
wir Power’n More, um die technische Unterstützung für Distributionskunden zu intensivieren. Natürlich haben wir auch bei Analogtechnik und Power noch Wachstumspotential
– unser Umsatzanteil bei Power liegt derzeit
bei ca. 10 Prozent, ähnlich wie vor drei Jahren
die Controller. Einen Großteil unserer Umsätze erzielen wir mit Xilinx und deren programmierbarer Logik, Mikrocontrollern sowie Speichern und Commodity-Produkten.
„
Karlheinz Weigl, Silica:
Unser ganz klares Ziel ist es,
dass Silica der technisch
kompetenteste Power-Distributor
in Europa wird. Unser Support
wird sich nicht auf die
Produktauswahl beschränken: Wir
wollen bereits beim Layout des
Designs mitarbeiten, denn heute
werden die Power-Spezifikationen
schon am Anfang eines Designs
festgezurrt. Also müssen wir
schon hier mitspielen können und
den Kunden danach durch alle
Phasen des Design-Zyklus
begleiten.
6
“
Für Core’n More hielten Sie den Zeitpunkt für günstig, weil der MCU-Markt
sich immer mehr auf die ARM-Architektur konzentrierte, viele Entwickler einen
Umstieg in Erwägung zogen und damit
der Einstieg als relativ unbekannter Distributor einfacher erschien? Was war der
Auslöser für Power’n More?
Da gab es mehrere Gründe. Core’n More haben
wir vor etwas mehr als zwei Jahren ins Leben
gerufen, und wir sind auf dem besten Weg,
unser Ziel von 15 Prozent Marktanteil in den
meisten Regionen zu übertreffen. Bei den
32-Bit-Controllern haben wir bereits heute,
knapp ein Jahr vor Ablauf des 3-Jahres-Plans,
die 15 Prozent Marktanteil über Europa hinweg erreicht, die Initiative war also ein durchschlagender Erfolg. Silica ist heute ein kompetenter MCU-Distributor im Markt, und auch
innerhalb des Unternehmens hat der Controller-Bereich die richtige Aufmerksamkeit. Die-
ses Momentum wollen wir aufrechterhalten
und uns mit Power’n More gleichzeitig in einem ähnlich wichtigen Markt etablieren. Mit
den steigenden Energiekosten wird die Energieeffizienz immer wichtiger, das ist hinlänglich bekannt. Entwickler sind immer öfter
gezwungen, ihre bewährten Power-Designs
zu aktualisieren bzw. komplett neu zu entwickeln. Das ganze Thema »Leistungsaufnahme«
steht heute viel stärker im Vordergrund, ist
aufgrund der Komplexität für viele unserer
Kunden aber ein Knackpunkt.
Den Markt haben aber auch schon andere Distributoren für sich entdeckt. Wie
positionieren Sie Silica im Markt?
Unser wichtigstes Alleinstellungsmerkmal ist
unsere Expertise.
Das würden konkurrierende Unternehmen sicher auch von sich behaupten . . .
Ja, mag sein, aber es gibt keinen Distributor,
der so viel Geld und Zeit in den Aufbau von
Power-Expertise gesteckt hat wie Silica. Wir
können guten Gewissens behaupten, dass wir
der Distributor mit der höchsten Kompetenz
in diesem Umfeld sind. Mit Power’n More haben wir ein Team von 15 dedizierten PowerApplikationsingenieuren aufgebaut und sie
über die letzten sechs Monate zu echten Experten entwickelt. Unsere Spezialisten haben
insgesamt mehr als 1700 Stunden technisch
tiefgreifende Schulungen erhalten, in denen
theoretisches Wissen beispielsweise zu den
unterschiedlichen Topologien und Architekturen vermittelt wurde. Das eigentliche ProduktTraining ist hier noch gar nicht mitgezählt.
Darüber hinaus haben wir auch alle anderen
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Analog- und Digital-FAEs sowie alle Vertriebsmitarbeiter im Thema Power geschult
– insgesamt sprechen wir hier von 3000 Trainingsstunden in nur einem halben Jahr.
Das klingt ja fast so, als ob Silica in Zukunft auch im Design-in für Power tätig
werden möchte?
Nein, aber wir wollen zu jedem Zeitpunkt des
Entwicklungsprozesses ein kompetenter Ansprechpartner sein. Diese Expertise ist absolut
einzigartig am Markt, denn damit sind wir in
der Lage, den Kunden von der Systemspezifizierung bis zur Projektfertigstellung beratend
zur Seite zu stehen.
Und das können andere nicht?
Natürlich haben auch unsere Mitbewerber
Kompetenz im Power-Umfeld, das wollen wir
niemandem absprechen, aber wie wir immer
wieder von Kunden- und vor allem Herstellerseite bestätigt bekommen, hat die Distribution bis dato zu wenig in dediziertes Expertenwissen investiert. Das ist sicherlich auch der
Grund, warum uns alle Halbleiterhersteller
ihren hundertprozentigen Support zugesichert haben. Erschwerend kommt natürlich
hinzu, dass Analog- oder Power-Experten im
Markt schwer zu finden sind. Unsere Hersteller müssen also viel mehr Support leisten und
sind deshalb froh, dass wir jetzt hier noch zusätzliche Expertise aufbauen.
Wenn man sich die Line-Card von Silica
ansieht, sind da ja viele wichtige Player
aus dem Power-Bereich zu finden ...
Das ist sicherlich ein weiteres Unterscheidungskriterium für Silica: Von den Top-Playern
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im Markt haben wir bis auf wenige Ausnahmen alle im Portfolio. Normalerweise wird so
ein Wachstumsplan auf Basis eines Halbleiterherstellers gestartet – mit unserer LineCard können wir aber alle Produktbereiche
abdecken und damit eine ganze Plattform
schaffen. Passive Komponenten decken wir
über unsere Schwesterfirma Avnet Abacus
ab.
Trotz Ihrer umfangreichen Line-Card gibt
es aber doch noch Lücken.
Ja, denn bislang fehlen uns IGBT-Module im
Produktspektrum. Wir haben zwar Infineon
auf der Line-Card, aber ohne deren PowerModule. Diese Lücke werden wir schnellstmöglich schließen. Wir führen schon Gespräche mit einigen Herstellern, und ich denke,
dass wir innerhalb der nächsten sechs bis
neun Monate entsprechende Verträge schließen werden, sodass wir spätestens Anfang
2014 auch Power-Module anbieten können.
Wie wichtig ist die Erweiterung der LineCard um Hersteller für Power-Module?
Ich glaube, dass hier das größte Wachstum zu
erwarten ist. Das belegen auch Marktanalysen. So soll der gesamte Power-Markt in den
nächsten Jahren um 4 bis 5 Prozent pro Jahr
zulegen, der Umsatz mit Power-Modulen hingegen um 8 bis 9 Prozent pro Jahr.
Was verbirgt sich sonst noch hinter
Power’n More?
Einerseits die bereits erwähnten Power-Ressourcen, die über die ganze EMEA-Region
verteilt sind. Hinzu kommen 25 Analog-FAEs,
die zwar nicht über ein Detailwissen wie un-
www.silica.com/power
sere Power-Experten verfügen, aber doch genug Know-how besitzen, um unsere Kunden
zu unterstützen. Darüber hinaus gibt es in
Deutschland, Italien, Frankreich, UK, Dänemark, Schweden, Norwegen und Finnland
jeweils einen Business Development Manager,
der ausschließlich für Power zuständig ist. In
fünf Ländern bauen wir außerdem vollständig
ausgestattete Power Labs auf, die spätestens
Ende des Jahres die Arbeit aufnehmen werden
– für Deutschland planen wir das Power Lab
in Poing/München. Zusätzlich dazu installieren wir ein Netzwerk von zwei bis drei externen Spezialisten, die als qualifizierte DesignHäuser unsere Kunden beim Design unterstützen. Und zu guter Letzt haben wir noch weitere Support-Maßnahmen entwickelt, wie
eine dedizierte Power Microsite (www.silica.
com/power) oder unterstützende Literatur.
Das klingt deutlich aufwendiger, als es
bei Core’n More der Fall war, warum?
Bei Power’n More ist das Produktspektrum
weit größer als bei Core’n More. Das macht
einen sehr strukturierten Ansatz notwendig,
um hier die gewünschten Ziele zu erreichen.
Hinzu kommt, dass die Komplexität des Themas sehr hoch ist, und um hier die entsprechende Expertise aufzubauen, sind die Investitionen in Trainings natürlich auch höher.
Und welche Umsatzziele setzen Sie sich
bei diesen Investitionen?
Wir wollen den Umsatz in diesem Segment
nahezu verdoppeln. Hierzu soll auch die Erweiterung der Line-Card ihren Teil beitragen.
Das Interview führte Iris Stroh
7
Silica|MOSFETs Planar, Trench, Superjunction, SiC, GaN
Die eierlegende Wollmilchsau
gibt es nicht . . .
S
. . . auch nicht in der Leistungselektronik. So hat jede Technologie und jedes Material spezielle
Vor- und Nachteile. Dementsprechend nutzen die Hersteller meist
mehrere Ansätze, um möglichst
viele Applikationen mit unterschiedlichsten Anforderungen
adressieren zu können.
SiC-MOSFETs von Rohm
Quelle: Rohm Semiconductor
ilizium-MOSFETs mit Trench-, planarer oder Superjunction-Struktur oder
lieber MOSFETs auf Basis der WBDMaterialien (Wide Band Gap) GaN oder SiC?
Die Entscheidung hängt von der Anwendung
und dem dazugehörigen Leistungsprofil ab.
Die Planar-Technik ist die älteste Technologie,
die zur Fertigung von Leistungs-MOSFETs herangezogen wird. Planar-MOSFETs sind in der
Herstellung kostengünstiger, lassen sich einfacher eindesignen und zeigen eine höhere
UIS-Robustheit (Unclamped Inductive Switching). Vorteilhaft beim Planar-MOSFET sind
vor allem die weite SOA (SOA: Safe Operating
Area), eine hohe Bauteilrobustheit und die
hohe Avalanche-Energie-Aufnahmefähigkeit.
So erklärt beispielsweise Stéphane Ernoux,
Director, Product Marketing, Power Management Devices Business Unit, International
Rectifier, dass »die Planar-MOSFETs sich durch
robuste Avalanche-Fähigkeiten auszeichnen
und sich für die Nutzung im Linearbetrieb
eignen«. Stephen Ahrens, Marketing Manager
MOSFET bei ON Semiconductor, merkt an:
»Anwendungen, die einen FET-Betrieb in der
Sättigung benötigen, zum Beispiel bei einer
aktiven Klemmung induktiver Lasten oder bei
einer linearen Regelung von Lasten, werden
von der Planar-Technik dominiert. Denn obwohl beide Technologien in einem Bereich der
thermischen Instabilität im Sättigungsbetrieb
arbeiten können, wird die Trench-Technologie
– im Vergleich zur planaren Technologie – viel
eher in den Bereich thermischer Instabilität
kommen, allein aufgrund der höheren Verstärkung des Trench-Prozesses.«
Im Vergleich zu Trench-MOSFETs weisen die
Planar-MOSFETs aber einen höheren spezifischen Widerstand RDS (Ω mm2) auf, so dass
große Chips notwendig sind, um den Einschaltwiderstand (RDSon) niedrig zu halten,
was wiederum wichtig ist, um geringe Leitungsverluste zu erreichen. Mit der Größe des
Dies verbessert sich auch die Wärmeleitung,
allerdings fallen die Kapazitäten, die beim
Ein- und Ausschalten des Transistors geladen
oder entladen werden müssen, ebenfalls größer aus, was sich in höheren Schaltverlusten
widerspiegelt.
Die Trench-MOSFETs zeichnen sich im Vergleich zu den Planar-Varianten durch deutlich
niedrigere Leitungswiderstände und geringere Gate-Ladungen aus. Laut Ahrens kann der
spezifische Widerstand in der Trench-Technologie um mehr als 50 Prozent unter dem der
Planar-Technologie liegen, »was zu einer kleineren Chipgröße und einer damit verbundenen Kostenreduzierung führt. Hinzu kommt,
dass die kleineren Chipgrößen die Verwendung von kleineren Gehäusen zulässt, was bei
der ständig steigenden Leistungsdichte von
elektronischen Geräten und Systemen von
Vorteil ist.« Richard Kuncic, Leiter des Produktbereichs Low Voltage Power Conversion
bei Infineon Technologies, erklärt weiter, dass
die Technik darüber hinaus sehr schnelle
Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht und sich
auch »durch eine hohe Zuverlässigkeit und
hohe Stromdichten auszeichnet«. Und Chris
Hammerton, Concept Engineering, PL Automotive MOS, NXP Semiconductors, merkt an,
8
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Bei NXP basiert der Großteil der Automotive-MOSFETs auf einer Trench-Architektur
Quelle: NXP Semiconductors
derungen wie sehr hohe Kosten und die relative Unreife dieser Materialien im Vergleich
zu Silizium überwunden werden. Es wird also
wahrscheinlich noch ein paar Jahre dauern,
bis sich damit das Qualitätsniveau erreichen
lässt, das Silizium heute bietet. Aus diesen
Gründen ist es sehr unwahrscheinlich, dass
SiC oder GaN in LV-Automotive-Systemen zur
Mainstream-Technologie werden.«
LV-MOSFETs (bis 500 V)
In diesem Bereich kommen mehrere Technologien zum Einsatz. Die am häufigsten genutzten MOSFETs werden mithilfe von Planarund Trench-Technologien gefertigt, mittlerweile sind aber auch Superjunction-MOSFETs
und GaN-MOSFETs zu finden.
dass sich Trench-MOSFETs gut ansteuern lassen, »wodurch sichergestellt ist, dass die Bausteine bei maximaler Sperrschichttemperatur
Tj sauber abschalten – ein Punkt, der bei den
hohen Betriebstemperaturen in AutomotiveAnwendungen einen entscheidenden Vorteil
darstellt«. Hammerton erklärt aber auch, dass
sich die Trench-MOSFETs mittlerweile dank
Weiterentwicklungen der Technologie dadurch auszeichnen, dass sie für Einzel- und
periodische Impulse eine sehr gute und garantierte Avalanche-Festigkeit aufweisen,
was für eine hohe Robustheit des Halbleiters
gegen kurzzeitige externe Überspannungen
spricht. Nachteilig ist festzuhalten, dass die
Fertigung dieser MOSFETs im Vergleich zu den
Planar-Varianten deutlich aufwendiger ist
und damit auch teurer.
da die Gate-Ladungen und Kapazitäten geringer ausfallen. Jason McDonald, Application
Engineer MOSFET bei ON Semiconductor:
»Superjunction-MOSFETs werden angewandt,
wo Leistungsdichte und Platzersparnis es erfordern. Das gilt beispielsweise in Serverstromversorgungen, kleinen Hochleistungsadaptern, flachen LCD-TV-Netzteilen und in
Anwendungen für erneuerbare Energie. Dies
sind Anwendungen, bei denen der Endkunde
für eine höhere Effizienz oder Leistungsdichte
auch bereit ist, mehr zu bezahlen.« Damit wird
auch gleich ein Nachteil der SuperjunctionTechnologie deutlich: die höheren Produktionskosten. Doch McDonald ist überzeugt,
dass die Preise von Superjunction-MOSFETs
mit der Zeit dank steigendem Volumen fallen
werden.
Die Superjunction-Technologie wurde für
MOSFETs mit einer Sperrspannung ab 200 V
und niedrigstem RDSon entwickelt. Salvatore
La Mantia, Technical Marketing Senior Engineer bei STMicroelectronics: »Auch wenn
Planar-MOSFETs im HV-Bereich immer noch
auf einen höheren Marktanteil als die Superjunction-Varianten kommen, zeigen letztere
viel höhere Wachstumsraten pro Jahr. Wir
sprechen hier von 20 Prozent, so dass davon
ausgegangen wird, dass diese Technologie in
zwei bis drei Jahren den größten Marktanteil
einnehmen wird.« Die Technologie zeichnet
sich im Vergleich zur Planar-Technologie
durch einen deutlich verringerten spezifischen
Widerstand aus, so dass »entweder höhere
Leistungsdichten möglich sind oder Bausteine
mit einem deutlich niedrigeren RDSon bei gleicher Die-Größe« so La Mantia weiter. Darüber
hinaus lassen sich mit dieser Technologie
höchste Schaltgeschwindigkeiten erreichen,
Im Gegensatz zum klassischen Silizium haben
Materialien wie GaN und SiC größere Bandlücken (Si: 1,12 eV, SiC: 2,2 bis 3,3 eV, GaN:
3,4 eV), so dass sie für große Temperaturen
und Feldstärken geeignet sind. Auch hier werden von den Herstellern Vorteile wie sehr kurze Schaltzeiten und nochmals reduzierte
Durchlassverluste genannt. So erklärt beispielsweise Jan-Willem Reynaerts, Leiter des
Produktbereichs High Voltage Power Conversion bei Infineon Technologies, dass sich Infineons SiC-JFETs »durch sehr niedrige temperaturunabhängige Schaltverluste auszeichnen
und sich somit gut für höhere Schaltfrequenzen, höhere Leistungsdichten und höhere
Temperaturen eignen«. Hammerton hält allerdings entgegen: »SiC und GaN sind dank ihrer
außergewöhnlich guten elektrischen Performance beispielsweise besonders gut für HVSysteme in Elektroautos geeignet. Aber um
hier Fuß zu fassen, müssen noch Herausfor-
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Infineon nutzt für seine LV-MOSFETs ausschließlich die Trench-Technik. Laut Kuncic
eignen sich diese MOSFETs besonders gut für
den Einsatz in VR-Modulen für Server, synchrone Gleichrichter für AC/DC-Schaltnetzteile, DC/DC-Wandler, Motorsteuerungen bis
110 V, Solar-Microinverter und MPPT (Maximum Power Point Tracker), LED-Beleuchtung,
Notebook und PCs.
International Rectifier (IR) setzt auf Planarund Trench-Technik und zusätzlich noch auf
seine proprietäre GaNpowIR-Plattform. GaNpowIR basiert auf einem kostengünstigen
GaN-auf-Silizium-Substrat, das mithilfe von
Heteroepitaxie auf Basis von Standard-CMOSWafer-Verarbeitungsverfahren prozessiert
wird. Damit ist es IR laut Ernoux gelungen,
eine GaNpowIR-Plattform bereitzustellen, die
sich durch ein sehr gutes Preis-LeistungsVerhältnis auszeichnet und »vom Markt in
voller Breite angenommen wird«, so Ernoux
weiter.
ON Semiconductor wiederum nutzt für seine
LV-MOSFETs die Planar- und Trench-Technik.
Bei NXP basiert der Großteil der AutomotiveMOSFETs auf einer Trench-Architektur. Neben
den bereits erwähnten Vorteilen weist Hammerton noch auf einen anderen hin: »Die
Trench-Technik lässt ein SOA-Rating von DC
bis unter 10 µs zu, und es können qualitativ
sehr hochwertige Produkte gefertigt werden,
so dass Ziele von weniger als 1 ppm möglich
sind.« Hinzu käme noch, dass all diese Eigenschaften in einem Spannungsbereich von 30
bis 100 V (als Standard- und Logik-LevelMOSFETs) auf einer gemeinsamen Plattform
zur Verfügung stehen. »Damit können die Entwickler sich innerhalb des Spannungsbereichs
vollkommen frei bewegen, ohne befürchten
9
Silica|MOSFETs zu müssen, dass in der Baustein-Charakteristik eigenartige Änderungen auftreten«, erklärt
Hammerton weiter.
Renesas Electronics nutzt eine Trench-Technologie auf Siliziumbasis, kombiniert mit einem Low-Voltage-SuperJunction-Prozess.
Laut Dr. Robert Podgorsek, Analog & Power
Marketing Engineer in der Automotive Business Group von Renesas Electronics Europe,
optimiert Renesas seine PowerMOSFET-Technologie sowohl in Hinblick auf Durchlasswiderstand (RDSon) als auch auf Gate-Ladung
(QG), »um möglichst hohe Stromtragfähigkeiten und geringste Leitungs- und Schaltverluste realisieren zu können«, so Podgorsek.
Dank der optimierten Trench-Strukturen konnte Renesas die Figure of Merit (FOM: das Produkt aus Kanalwiderstand und Gate-Ladung)
mit jeder Prozessgeneration verringern. Podgorsek weiter: »Diese Produkte wandern in
Hochstrom-Schaltanwendungen hauptsächlich zur Steuerung von Elektromotoren im Automobil. Hierbei handelt es sich größtenteils
um Brückenschaltungen, z.B. um H-Brücken
beim DC-Motor oder um B6-Brücken im Falle
eines BLDC-Motors. Die eingesetzten PowerMOSFETs mit Durchbruchsspannungen von 30
bis 100 V zeichnen sich durch extrem kleine
Werte für RDSon von wenigen mOhm aus und
sind für Ströme bis zu 180 A DC spezifiziert.«
Rohm nutzt für die Leistungs-MOSFETs im
Bereich von 20 bis 200 V die Trench-Technologie, die sich laut Masaharu Nakanishi, Product Manager SiC, HV-MOSFET von Rohm
Semiconductor, durch einen flächenskalierten
Einschaltwiderstand von 0,085 mΩ.cm2 auszeichnen.
STMicroelectronics zählt zu den Unternehmen, die ebenfalls zweigleisig fahren und
sowohl Trench- als auch Planar-MOSFETs anbieten. Das gilt zumindest für den Spannungsbereich zwischen 20 und 100 V, zwischen 120
und 200 V stehen ausschließlich TrenchMOSFETs zur Verfügung. Texas Instruments
hat mit NexFET eine Technologie entwickelt,
bei der ein vertikaler Stromfluss mit einem
lateralen Leistungs-MOSFET kombiniert wurde. Laut Miro Adzan, EMEA Marketing Manager, Power Solutions, Texas Instruments, ermöglicht dieser Ansatz deutliche Fortschritte
beim Schalten, denn die Bausteine zeichnen
sich durch einen niedrigen Einschaltwiderstand und sehr niedrige Schaltverluste aus.
Damit erreichen die Bausteine auch sehr gute
FOM-Werte. Darüberhinaus bietet TI aber
auch Trench- und Planar-MOSFETs, wobei Adzan betont, dass die Architektur nur zum Teil
die Leistungsfähigkeit des MOSFETs bestimmt.
»Das Gehäuse hat ebenfalls einen wichtigen
Einfluss, aufgrund der unterschiedlichen Gehäusewiderstände etc.«
HV-MOSFETs
Für das High-Voltage-Segment bietet Infineon laut Jan-Willem Reynaerts, Leiter des Produktbereichs High Voltage Power Conversion
bei Infineon Technologies, Superjunction
MOSFETs und SiC JFETs an. »Unsere Superjunction-Bausteine mit niedrigstem RDSon und
höchsten Schaltgeschwindigkeiten ermöglichen geringste Verluste und beste Effizienzen«, so Reynaerts. Auch die SiC JFETs zeichnen sich durch niedrige und temperaturunabhängige Schaltverluste aus. Damit eignen sie
sich für höhere Schaltfrequenzen, höhere
Leistungsdichten und höhere Temperaturen.
ON Semiconductor nutzt für hohe Sperrspannungen sowohl die Planar-, Trench- als auch
Superjunction-Technologie. Laut McDonald
arbeitet das Unternehmen aber auch an einer
GaN-Technologie. Ein großer Vorteile der
Superjunction-Technik ist, dass diese MOSFETs auf etwa 25 Prozent der Fläche von traditionellen planaren Hochspannungs-MOSFETs reduziert werden können«, und das ist
noch nicht das Ende der Fahnenstange. Damit
ist die Energie in den Eingangs- und Ausgangskapazitäten, die während jedes Schaltzyklus gespeichert wird, stark reduziert, »wodurch sich schnellere Schaltzeiten und eine
höhere Effizienz bei hart schaltenden Anwendungen ergeben«, so McDonald. Mit der Entwicklung von GaN-MOSFETs lassen sich die
Durchlasswiderstände und Kapazitäten noch
weiter verringern, so dass »noch höhere Leistungsdichten und/oder höhere Schaltfrequenzen möglich sind. Das wiederum führt zu
kleineren Schaltkreisen, da kleinere Gehäuse
und kleinere passive Komponenten verwendet
werden können«, so McDonald weiter.
Rohm deckt den Bereich ab 600 V bis 800 V
mit der Superjunction-Technologie ab. Geht
es um 1200 V und höher, setzt Rohm auf SiC
auf Planarbasis. Laut Nakanishi zeichnen sich
auch die HV-Produkte durch einen niedrigen
RDSon und hohe Schaltgeschwindigkeiten aus
(Minimalwerte: 600 V: Aron = 20mΩ.cm2, SiC
(1200 V): Aron = 2,0 mΩ.cm2).
STMicroelectronics nutzt für seine HV-MOSFETs mit Produkten bis zu 1700 V sowohl die
Planar- als auch Superjunction-Architektur.
Laut La Mantia steht das Unternehmen außerdem kurz davor, die erste Generation von
SiC-MOSFETs auf Planar-Technik mit 1200 V
auf den Markt zu bringen. Die SuperjunctionArchitektur wird zur Produktion von MOSFETs
mit Durchbruchspannungen von 200 bis 950
V BVDSS genutzt. Die bereits erwähnten Vorteile kommen der Endanwendung zugute. So
ist es beispielsweise möglich, die Anzahl der
Komponenten zu senken. Denn dort, wo früher
viele Planar-MOSFETs parallel geschaltet
wurden, können heute weniger schnelle Superjunction-Bausteine genutzt werden, wodurch ein kompakteres System möglich wird.
»Superjunction-MOSFETs mit deutlich niedrigerem RDSon können Planar-MOSFETs ersetzen, so dass effizientere Anwendungen mit
höheren Stromdichten realisiert werden können«, so La Mantia.
STMicroelectronics fertigt mehrere Superjunction-Familien von 200 bis 950 V BVDSS,
10
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um verschiedene Applikationen und Topologien adressieren zu können:
• Die 550V/650V-MDmesh-V-Familie zeichnet sich laut La Mantia durch den geringsten
RDSon pro Flächeneinheit aus. Damit zielt das
Unternehmen hauptsächlich auf hart schaltende Anwendungen, typischerweise eine
Leistungskorrekturstufe, wie sie in Server oder
Telecom-Schaltreglern sitzen, aber auch in
Beleuchtungsanwendungen wie mittlere und
High-Power-LED-Treiber und HID oder sogar
als Verstärkerstufe in PV-Invertern. Ein neuer
Sektor für diese Bausteine entsteht in Elektrofahrzeugen, wofür dedizierte Automotivequalifizierte MDmesh-V-Bausteine zur Verfügung stehen.
• 600 V MDmesh II Plus Low Qg ist eine Familie, die kürzlich auf den Markt gebracht
wurde: Dank eines reduzierten RDSon bei ge-
gebener Fläche und optimierten Gate-Ladungen und -Kapazitäten zielen diese Baustein
speziell auf sanft schaltende LLC-Topologien,
LCD/LED-Fernseher, Server und TelecomSchaltregler, LED-Treiber mittlerer und hoher
Leistung. Andere Anwendungen sind MicroInverter für die PV und Batterieladegeräte.
• 500V- bis 650V-FDmesh-II-Serien, die in
Hinblick auf Reverse-Recovery-Prozesse optimiert wurde und sich durch eine verringerte
tff (Reverse Recovery Time), einen verringerten Irrm (Reverse Recovery Current) und reduzierte Qrr (Reverse Recovery Charge) der
Reverse-Diode auszeichnet. Diese Bausteine
eignen sich besonders für phasenverschobene
ZVS-Brücken, die oft für hochleistungsfähige
Schaltnetzteile in Servern genutzt werden.
Außerdem finden sie auch in DC/DC-Wandlern
für PV-Inverter aber auch in Halbbrücken für
Beleuchtungsanwendungen Einsatz.
• 800V- bis 950V-SuperMESH-5-Serien: Mit
diesen neuen Bausteinen können einfache
Fly-Back- oder EintaktdurchflusswandlerTopologien genutzt und trotzdem hohe Effizienzziele erreicht werden. Zielanwendungen
sind LED-Treiber mittlerer Leistung, Adapter
für PCs und Notebooks oder LDC/LED-TVSchaltnetzteile.
Planar-MOSFETS produziert STMicroelectronics von 200 bis 1700 V BVDSS. Die Leistungshalbleiter werden in Low-Power- und/
oder kostengünstigen Anwendungen eingesetzt, in denen Effizienz nicht die höchste
Priorität hat. Typische Anwendungen sind
Dimmer, Low-Power-LED-Treiber, Adapter,
Low-Power-Schaltnetzteile und Batterieladegeräte für mobile Geräte. Ist eine Mindestspannung von 1000 V BVDDS gefordert,
»dann sind Planar-MOSFETs die einzige Option«, so La Mantia. (st)
■
Wie gut sind die Angaben in den Datenblättern?
Der thermische Widerstand –
die Unbekannte
Immer wieder ist zu hören,
dass die Hersteller den
thermischen Widerstand
ihrer MOSFETs so spezifizieren,
dass der Entwickler mehr verwirrt
als informiert ist.
W
as sind die Ursachen solcher Probleme? »Der thermische Widerstand
eines Leistungshalbleiters ist ein
Parameter, der recht schwierig zu bestimmen ist. Manche Hersteller geben hier typische und maximale Werte an, andere wie
Infineon nur Maximalwerte. Darin enthalten
sind, wegen der messtechnischen Probleme,
herstellerabhängige Sicherheitsmargen und
Abweichungen durch Rundungen«, erklärt
Richard Kuncic, Leiter des Produktbereichs
Low Voltage Power Conversion bei Infineon
Technologies. Wurde ein solcher Parameter
nur rechnerisch ermittelt, so ergibt sich laut
seiner Aussage meist ein deutlich freundlicheres Ergebnis gegenüber einem gemessenen Wert, der mit Sicherheitsaufschlägen
bedacht ist.
Stephen Ahrens, Marketing Manager MOSFET
bei ON Semiconductor, fügt hinzu, dass die
Schwierigkeit beim Vergleich von Wärmewiderstandsdaten zwischen Wettbewerbern
auch auf die Tatsache zurückzuführen ist,
dass diese Werte von Randbedingungen abhängen. Das heißt, dass beispielsweise zwei
Datenblätter für verschiedene Bauteile durch-
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aus identische oder ähnliche RthJ/A-Werte
(Wärmewiderstand: Chipanschluss zur Umgebung, Junction/Ambient) enthalten können.
Ahrens weiter: »Damit die Werte wirklich
identisch sind, müssen allerdings auch die
Randbedingungen absolut identisch sein. Zum
Beispiel erhält man für dasselbe Bauteil deutlich unterschiedliche RthJ/A-Werte, je nachdem ob es auf einem 650 mm2 großen 2 oz.
Cu-Pad oder auf einem 50 mm2 großen 2 oz
Cu-Pad montiert ist.«
Und Jason McDonald, Application Engineer
MOSFET bei ON Semiconductor, gibt noch den
Rat: »Es ist richtig, dass die Informationen
unterschiedlich und auch irreführend sein
können. Der Drain-Strom ist ein Beispiel dafür.
Parameter wie der thermische Wärmewiderstand und der Drain-Strom sollten also nicht
zu wörtlich genommen werden. Die Kunden
sollten sie nicht als harte Grenze ansehen, da
die Einsatzbedingungen nicht denen entsprechen, unter welchen die Werte für das Datenblatt ermittelt wurden.« Daraus folgt: Der
Entwickler sollte die Angaben in den Datenblättern genau studieren, einschließlich der
kleingedruckten Infos, in denen die Hersteller
11
Silica|MOSFETs wichtige Zusatzinformationen geben. Was
geben die Hersteller also typischerweise an,
um den Entwickler bei der Beurteilung des
thermischen Verhaltens zu unterstützen?
und Testen erklärt. Die AN-994 gilt allerdings
nur für SMD-Gehäuse und nicht für Durchsteckvarianten wie TO-220, TO-247 oder Fullpak.
Infineon Technologies
NXP Semiconductor
Um dem Entwickler ein möglichst vollständiges Bild zu verschaffen, stellt Infineon neben dem Maximalwert (entspricht der Summe aller thermischen Widerstände) im LVDatenblatt das gesamte thermische Ersatzschaltbild (also auch die einzelnen thermischen Kapazitäten) seiner PSPICE-Bibliotheken zur Verfügung. »Dies erlaubt dann nicht
nur eine Berechnung/Simulation der typischen oder maximalen Werte. Vielmehr kann
mit einem Simulationsprogramm auch das
zeitliche Verhalten, also der Erwärmungsvorgang selbst, dargestellt werden«, erklärt Richard Kuncic.
International Rectifier
Das Unternehmen stellt auf seiner Web-Site
(http://www.irf.com/technical-info/appnotes/
an-994.pdf) eine Application Note (AN-994)
zur Verfügung, die die Messung des thermischen Widerstands für die SMD-Bausteine
von International Rectifier beschreibt. Laut
Stéphane Ernoux, Director, Product Marketing, Power Management Devices Business
Unit, International Rectifier, werden darin die
Gehäusemontage und Ansätze zur Kühlung
12
Chris Hammerton, Concept Engineering, PL
Automotive MOS, NXP Semiconductors, ist
der Meinung, dass die Datenblätter für den
Entwickler eigentlich kein Problem darstellen,
denn seiner Erfahrung nach stimmen die Angaben zum thermischen Widerstand der einzelnen Hersteller ziemlich gut überein, wobei
er diese Aussage auf die wichtigsten Anbieter
von Leistungs-MOSFETs beschränkt. Sobald
der Entwickler Zugriff auf Rth (j-mb), manchmal auch Rth (j-case) hat, stünden ihm schon
mal alle Informationen zur Verfügung, um die
Junction-Temperatur berechnen zu können
und damit zu überprüfen, ob der Maximalwert
überschritten wird.
angegeben. Dr. Robert Podgorsek, Analog &
Power Marketing Engineer in der Automotive
Business Group von Renesas Electronics Europe, fügt hinzu: »Darüber hinaus stehen dem
Entwickler Experten zur Verfügung, die im
Rahmen einer applikationsspezifischen Robustheitsbewertung den Einsatz des PowerMOSFETs für ein gegebenes Lastprofil überprüfen.«
Rohm Semiconductor
Die Angaben zum thermischen Widerstand
entsprechen dem JEDEC-Standard, »um die
Vergleichbarkeit zu Wettbewerbsprodukten
zu gewährleisten«, so Masaharu Nakanishi,
Product Manager SiC, HV-MOSFET von Rohm
Semiconductor.
STMicroelectronics
Darüber hinaus stellt NXP den Entwicklern
auch eine Kurve für Zth (j-mb) zur Verfügung.
Das Unternehmen gibt denn auch die Methoden vor, wie diese Kurve genutzt werden können. »Diese Methoden beruhen zwar auf vielen Berechnungen, aber mit den vorhandenen
Tabellen ist auch das kein Problem.« Designer,
die es wiederum gewohnt sind, mit Simulationen zu arbeiten, können auf zwei Modelle
pro MOSFET von NXP zurückgreifen. Hammerton abschließend: »Mit Rth und der thermischen Impedanz Zth gibt der Bausteinhersteller dem Anwender die Informationen, die er
braucht, um alle notwendigen Berechnungen
durchführen zu können.«
STMicroelectronics stellt den thermischen
Widerstand zwischen Kanal und Außenschicht
des Gehäuses (case) in seinen Datenblättern
zur Verfügung (Rth (j-c)). Salvatore La Mantia,
Technical Marketing Senior Engineer bei
STMicroelectronics, kommentiert: »Dabei
handelt es sich um einen Standardparameter,
den sowohl ST als auch seine wichtigen Konkurrenten wie Infineon oder Toshiba angeben.
Dieser Wert wird unter ähnlichen Messkriterien ermittelt, so dass die Endanwender die
Optionen der verschiedenen Hersteller meistens einfach vergleichen können. Andere
MOSFET-Hersteller können andere Angaben
machen, in dem Fall kann der Entwickler eine
lokalen ST-Niederlassung für technischen
Support kontaktieren.«
ON Semiconductor
Texas Instruments
ON Semiconductor stellt im Datenblatt Werte
für den Dauerbetrieb von Sperrschicht- und
Gehäusetemperatur in Abhängigkeit von der
Umgebungstemperatur zur Verfügung. Sie
basieren auf bestimmten Annahmen, die im
Datenblatt ebenfalls vermerkt sind. Darüber
hinaus stellt das Unternehmen den thermischen Widerstand über die Zeit für verschiedene Tastverhältnisse dar.
Renesas Electronics
Laut Miro Adzan, EMEA Marketing Manager,
Power Solutions, Texas Instruments, folgt
auch Texas Instruments dem Industriestandard für FET-Datenblätter und dem thermischen Widerstand. Darüber hinaus bietet das
Unternehmen aber auch eine Reihe von Powerblock-Bausteinen, die dem Designer Alternativen bieten, Platinenfläche einzusparen
und ein optimiertes Schaltverhalten bezüglich
parisitärer Einflüsse zu nutzen, was unter anderem auch zu einer Verringerung der Verlustleistung führt.
Renesas Electronics spezifiziert die maximale
Gesamtverlustleitung bei 25 °C sowie den
thermischen Widerstand Rth (j-c) zwischen
Kanal (junction) und der Außenschicht des
Gehäuses (case). Ferner wird für den gepulsten Betrieb die dynamische thermische Impedanz Zth(j-c) als Funktion der Pulsweite PW
Zudem zeichnen sich die Powerblock-Bausteine durch einen großen auf Massepotenzial
liegenden Leadframe (Chip-Träger) aus, so
dass die Entwickler große Pads nutzen können, um die Wärme vom Baustein effektiv auf
die Leiterplatte abzutransportieren. (st)
■
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www.silica.com/power
_0AQ8F_Infineon_SMT_Silica_neu_neu.pdf;S: 1;Format:(230.00 x 297.00 mm);24. May 2013 10:07:44
600V CoolMOS™ P6
Balancing High Performance with Ease of Use
With the new P6 series Infineon introduces a highly innovative CoolMOS™ product family, setting
benchmarks in the price/performance Superjunction segment. It is designed to enable higher
system efficiency whilst being easy to design in. The P6 generation closes the gap between
technologies which focus on delivering ultimate performance and those concentrating more on
ease of use.
Key features and benefits of 600V CoolMOS™ P6
 Higher efficiency especially in light load condition
 Good controllability and high robustness
 Suitable for hard- & soft-switching topologies
 Outstanding quality & reliability
 Optimized for applications such as Server, Telecom,
PC Silverbox and Gaming Consoles
For further information please visit our website:
www.infineon.com/p6
Silica|MOSFETs Der Verlustleistung auf den Pelz gerückt
Cool bleiben
Die Miniaturisierung ist ein
altbekannter Trend, dem sich
auch die Hersteller von LeistungsMOSFETs nicht entziehen können.
Mit kleineren Fertigungsstrukturen steigt die Stromdichte,
und die Die-Fläche wird kleiner,
so dass mehr Hitze über
weniger Fläche abgeführt werden
muss – ein nicht ganz
triviales Problem.
Das TO-Leadless-Gehäuse enthält
die neueste OptiMOS-Generation
Quelle: Infineon Technologies
14
D
urch höhere Temperaturen verschlechtern sich die Leistungsparameter der MOSFETs, beispielsweise
steigt der Durchlasswiderstand (RDSon) mit
steigenden Temperaturen, was wiederum zu
einer höheren Verlustleistung führt. Hinzu
kommt, dass die Sperrschichttemperatur (Tj)
einer der kritischsten Parameter von MOSFETs ist, weil eine dauernde Überschreitung
der maximal zulässigen Tj zur Zerstörung des
Bausteins führt.
Folglich muss darauf geachtet werden, dass
die Wärmeentwicklung in akzeptablen Grenzen bleibt, und dazu stehen den MOSFETHerstellern prinzipiell zwei Möglichkeiten
offen: Sie können einerseits die Verlustleistung verringern und andererseits die Kühlung
beziehungsweise den Wärmeabfluss verbessern. Nachdem sich die Verlustleistung im
eingeschalteten Zustand über die Formel PV
= I² . R berechnen lässt, wird klar, warum alle
Hersteller seit langem an einer Verringerung
des Durchlasswiderstands arbeiten. Ähnlich
verhält es sich mit den Schaltverlusten. Sie
multiplizieren sich mit der Schaltfrequenz
und werden deshalb von den Leistungshalbleiterherstellern ebenfalls ständig verringert,
um den Einstieg in höhere Frequenzen zu ermöglichen. Dementsprechend erklärt JanWillem Reynaerts Leiter Product Leiter des
Produktbereichs High Voltage Power Conversion von Infineon Technologies, dass das Unternehmen speziell bei seinen HV-MOSFETs
(HV: Hochvolt, ab 500 V) auf die Verringerung
der anfallenden Verluste setzt und im Zuge
dessen die Durchlasswiderstände verringert.
Darüber hinaus »konnte Infineon auch bei
neueren Technologien die Schaltverluste senken. So entsteht in Summe deutlich weniger
Wärmeenergie«, fährt Reynaerts fort.
Eine weitere Möglichkeit bringt Stéphane
Ernoux, Director, Product Marketing, Power
Management Devices Business Unit,
International Rectifier (IR), ins Spiel:
»Wir können beispielsweise den Die
dünner machen, um den gestiegenen
thermischen Widerstand zu kompensieren.«
Diesen Ansatz nutzt natürlich nicht nur IR:
Auch Miro Adzan, EMEA Marketing Manager
für Power Solutions von Texas Instruments,
weist auf diese Möglichkeit hin, und Infineon
ist gerade dabei, seine 300-mm-DünnwaferTechnologie in Dresden zur Serienfertigung zu
bringen. Dr. Robert Podgorsek, Analog & Power Marketing Engineer in der Automotive
Business Group von Renesas Electronics Europe, macht darauf aufmerksam, dass dieser
Ansatz allerdings »nicht ganz ohne« sei: »Die
Chip-Dicke zu reduzieren, bringt Schwierigkeiten für Handhabung und Herstellung der
Wafer mit sich.«
Podgorsek hält es aber sowieso für insgesamt
schwierig, als MOSFET-Hersteller das Problem
der erhöhten Wärmeentwicklung positiv zu
beeinflussen. Also müssen die entstehenden
Verlustleistungen effektiv abgeführt werden,
»um den Temperaturanstieg im Bauteil auf die
maximal zulässige Kanaltemperatur Tj = 175
°C zu begrenzen, was die Forderung nach
möglichst kleinen thermischen Widerständen
des Gesamtsystems mit sich bringt«, so Podgorsek weiter. Denn das Gesamtsystem ist
entscheidend, weil die statischen Verlustleistungen (länger als 1 ms) als Wärme vom Die
über das Gehäuse auf die Leiterplatte oder
den Kühlkörper wandern, so dass der thermische Gesamtwiderstand des Übertragungswegs maßgebend ist.
Und dabei spielt die Miniaturisierung auf der
Halbleiterseite keine große Rolle mehr. Zwar
erhöht sich der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Montagefläche (Rth
jmb) bei kleineren Die-Flächen, »aber in den
meisten Fällen ist dieser Wert der kleinste
Widerstand in der gesamten Kette, so dass er
in der Gesamtbetrachtung keine große Rolle
spielt«, erklärt Chris Hammerton, Concept Engineering, PL Automotive MOS von NXP Semiconductors. Ein Beispiel: NXP hat bei seinen
Leistungs-MOSFETs im LFPAK56-Gehäuse die
Die-Fläche um 50 Prozent reduziert, »wodurch
sich der thermische Widerstand zwischen
Sperrschicht und Montagefläche sagen wir
von 0,74 auf 1,58 K/W erhöht hat«, so Hammerton. Da sich das Design der Leiterplatte
und die Umgebungsbedingungen nicht ändern, hat sich am thermische Widerstand von
Leiterplatte zur Umgebung nichts geändert
– in diesem Fall nimmt Hammerton einen typischen Wert von 40 K/W an –, und die Verlustleistung hat sich auch nicht geändert, so
dass die Temperatur zwischen Leiterplatte
und Montagefläche gleich bleibt. Einzig innerhalb des LFPAK56s ergeben sich Veränderungen aufgrund des erhöhten thermischen
Widerstands durch den kleineren Die. Nimmt
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man jetzt eine Verlustleistung von 1 W, eine
Umgebungstemperatur von 40 °C und eine
Leiterplattentemperatur von 85 °C an, dann
liegt die Sperrschichttemperatur des größeren
Dies bei 125,74 °C, des deutlich kleineren
Dies bei 126,58 °C, »also immer noch gut innerhalb des Bereich des Baustein-Ratings von
175 °C«, so Hammerton weiter.
In der Packaging-Technik
steckt viel Know-how
Wichtig ist, dass die Wärme gut abgeführt
werden kann. Deshalb ist beispielsweise das
LFPAK56-Gehäuse von NXP mit einem integrierten Kupfer-Clip ausgestattet, um den
thermischen Widerstand zu verringern. Aber
auch in diesem Fall nutzt nicht nur NXP diesen
Ansatz, sondern auch Adzan erklärt, dass sich
die thermische Anbindung an den Die durch
Kupfer-Clips anstatt Bonddrähte verbessern
lässt. Ebenfalls von Vorteil ist eine beidseitige
Wärmeableitung, die TI beispielsweise in seiner DualCool-NexFET-Power-MOSFET-Technologie nutzt. Laut Unternehmensangabe
lässt sich damit im Vergleich zu Standardgehäusen der Wärmeabtransport um bis zu 80
Prozent und die Stromdichte um bis zu 50
Prozent erhöhen. Genau den gleichen Ansatz
hat International Rectifier vor Jahren mit DirectFET realisiert. Auch hierbei handelt es sich
um ein High-Performance-Gehäuse mit beidseitiger Kühlung, das laut Ernoux ebenfalls
eine außergewöhnlich hohe Stromdichte ermöglicht und einen sehr niedrigen On-Widerstand bietet. Ernoux weiter: »Diese Gehäuse
lassen sich mit bestehenden Oberflächenmontagetechniken verarbeiten.« Infineon
wiederum hat die DirectFET-Gehäusetechnik
2007 lizenziert und nutzt sie beispielsweise in
seinen CanPAK-Gehäusen für MOSFETs mittlerer Spannungsklassen. Daneben hat das Unternehmen mit der Blade-Gehäusetechnik
auch eine eigene Technologie entwickelt.
Die DirectFET sind High-Performance-Gehäuse mit beidseitiger Kühlung
ter Ansatz, um thermische Probleme zu vermeiden. Daneben würden auch Gehäuse mit
exponierter Wärmesenke (exposed pad), wie
zum Beispiel das S08FL und u8FL, für eine
gute Wärmeabfuhr von der Unterseite des
Gehäuses sorgen, besonders dann, »wenn es
sich um ein Aluminium-Gehäuse handelt, das
einen guten Wärmeleiter zur Umgebung darstellt«, so Ahrens weiter.
Nachdem der thermische Gesamtwiderstand
entscheidend ist, stehen natürlich auch dem
Anwender diverse Möglichkeiten offen, um
die Bauteile vor einem »Hitzschlag« zu schüt-
Auf einen weiteren Ansatz weist Masaharu
Nakanishi hin, Product Manager SiC, HVMOSFET von Rohm Semiconductor, denn das
Unternehmen setzt auf die so genannte AlRibbon-Bonding-Technik, bei der zur Kontaktierung der Halbleiter Aluminiumbändchen
(Ribbon) statt Bonddrähte genutzt werden.
Auch in diesem Fall gibt es natürlich auch
andere Hersteller, wie STMicroelectronics, die
diese Technik nutzen.
Für Stephen Ahrens, Marketing Manager
MOSFET von ON Semiconductor, sind auch
Gehäuse, die einen größeren Halbleiterchip
bei gleichem Footprint akzeptieren, eine guSonderheft Power Management Powered by
Das LFPAK56-Gehäuse von NXP Semiconductors ist
deutlich kleiner als das DPAK-Gehäuse
Quelle: NXP Semiconductors
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Quelle: International Rectifier
zen. Deshalb erklärt Podgorsek, dass insbesondere die thermische Anbindung des MOSFET an die Umgebung bzw. an das Board
optimiert werden muss, um eine maximale
Wärmeabfuhr zu ermöglichen. »In kritischen
Anwendungen mit besonders hoher Strombelastung empfiehlt sich der Einsatz von ungehäusten Bauteilen auf Keramikboards wie
Direct Copper Bond.« Auch mithilfe von
Durchkontaktierungen (Vias), mit denen die
obere Leiterplattenschicht mit der unteren
verbunden wird, lässt sich die Wärmeabfuhr
verbessern. Selbstverständlich sind auch
Kühltechniken wie Kühlkörper oder Kühlung
durch Luft/Wasser ein adäquates Mittel, einer
erhöhten Wärmeentwicklung entgegenzuwirken.
Werden die eben beschriebenen Möglichkeiten sinnvoll genutzt, treten schlussendlich
auch keine Probleme auf. So zumindest lautet
die Aussage von Salvatore La Mantia, Technical Marketing Senior Engineer von STMicroelectronics, der abschließend erklärt: »Durch
die Kombination von beispielsweise dünneren
Wafern, Layout-Optimierungen, neuen Bonding-Techniken und verbesserten GehäuseMaterialien lassen sich die Wärmeprobleme
auf der Halbleiterseite minimieren. Wenn
dann noch Kühlkörper oder thermische Durchkontaktierungen auf dem Board richtig dimensioniert sind, treten auch bei MOSFETs
auf Basis kleinerer Prozessstrukturen keine
Wärmeprobleme auf.« (st)
■
15
Silica|Passive Bauelemente Avnet Abacus
Passive Bauteile
für Netzgeräte
Avnet Abacus ist ein führender
paneuropäischer Distributor von
Steckverbindern, passiven und elektromechanischen Bauteilen (IPE) und bietet
eine große Auswahl an Produkten
als Komplettlösungen zusätzlich
zu den von Silica angebotenen
Stromversorgungslösungen an.
D
er vorliegende Artikel stellt die neuesten Produkte einiger führender
Hersteller vor und lenkt das Augenmerk vor allem auf die wesentlichen Merkmale, die unter Designingenieuren als zukunftsweisend gelten.
Entwickler von Netzgeräten (PSUs) müssen bei
ihrer Arbeit heute immer größeren Anforderungen gerecht werden. Sie sollen hochwertige Lösungen anbieten, die bestimmten Kriterien und Standards entsprechen. Bauteile
müssen nicht nur die grundlegenden Ein-/Ausgangskriterien für ihre Zielanwendung erfüllen. Häufig sind sie auch rauen und anspruchsvollen Umgebungen ausgesetzt und müssen
dort genauso einwandfrei funktionieren. Eine
effiziente und zuverlässige Funktion ist zwar
Grundvoraussetzung; doch um auf einem
wettbewerbsintensiven Markt zu bestehen,
muss sich der Hersteller durch besondere Leistungsmerkmale seiner Produkte abheben. Ein
anderer wesentlicher Aspekt bei der Entwicklung von Stromversorgungslösungen ist die
Sicherheit: Viele Kunden achten darauf, dass
die Bauteile, die sie kaufen wollen, international geltenden Normen entsprechen.
Diese Voraussetzungen betreffen nicht nur die
Art der Stromversorgungslösung selbst; sie
gelten auch für im Netzteil verbaute Teile,
selbst für scheinbar banale Bauelemente wie
Kondensatoren, Induktivitäten und Wider-
16
stände. Erfreulicherweise sind sich die Anbieter von Bauteilen dessen bewusst und bieten
Produkte an, die jeweils speziell auf ihre Verwendung in unterschiedlichen Stromversorgungsanwendungen zugeschnitten sind.
Kondensatoren: Elektrolyt-, Folienund dielektrische Kondensatoren
In ein zylindrisches Gehäuse eingepasste
Aluminium-Elektrolytkondensatoren waren
jahrelang Kern der meisten SMPS- und USVElemente, da nur mit diesen die höheren, für
diese Bauteile erforderlichen Speicherkapazitätswerte erreicht werden konnten.
Die neuesten Entwicklungen von Herstellern
wie TDK sind für immer höhere Betriebsspannungen und -temperaturen ausgelegt. Die
Nennspannung der neuesten Generation von
Kondensatoren mit Schraubklemmen B43700
und B43720 von TDK konnte von 550 V DC bei
der vorherigen Reihe auf 600 V DC erhöht
werden. Diese Kondensatoren decken einen
Kapazitätsbereich von 1200 bis 6800 μF ab
und sind für Temperaturen von bis zu 85 °C
ausgelegt. TDK hat die Wechselstrombelastbarkeit seiner Snap-In-Serien B43545 und
B43547 durch Verringern des Wärmewiderstands und des ESR (äquivalenter Serienwiderstand) verbessert. Diese Reihe weist eine
erheblich längere Lebensdauer für Bauteile bis
85 °C mit Kapazitäten von 82 bis 2200 μF je
nach Einsatz auf.
Die äußeren Abmessungen eines Kondensators sind ein wesentlicher Faktor beim Design
von Stromversorgungslösungen, die unter engen Platzverhältnissen verwendet werden
sollen. Hierzu gehören beispielsweise DC-DCWandler, Zwischenkreisumrichter (AC-DC-AC)
und LED-Treiber, bei denen Kondensatoren für
Leistungsfaktorkorrektur und DC-Ausgangsfilterung eingesetzt werden. Bei diesen Anwendungen sind Folienkondensatoren eine
gute Lösung, die geeignete Kapazitätswerte
mit erforderlichen Nennspannungen in einem
kompakten Format kombinieren. MKP-Folienkondensatoren mit hoher Dichte der
B32774/8-Reihe von TDK eignen sich insbesondere für DC-Zwischenkreisumrichter; sie
liefern Kapazitätswerte von 1,0 bis 110 μF und
Nennspannungen bis 1300 V und ermöglichen
einen Betrieb bei bis zu 105 °C mit einer Lebensdauer von 200.000 Stunden. Diese Kondensatoren sind »selbstheilend« und im 4-PinFormat zu haben, wodurch sie eine größere
Stabilität bei Erschütterungen bieten. Bei seinen Folienkondensatoren der B3267x-Reihe
hat EPCOS die Abmessungen um 40 Prozent
verringert und stellt so einen 1,0-μFKondensator mit Abmessungen von 8,0 x 17,5
x 13,0 mm und Anschlussabständen von 10
mm (im Vergleich zu 15 mm in früheren Versionen) zur Verfügung. Außerdem entspricht
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Silica|Passive Bauelemente das Kunststoffgehäuse dieser Folienkondensatoren den UL94-v-0-Brennbarkeits-Kriterien – was die vorstehend schon erwähnte
Notwendigkeit der Erfüllung geltender Normen und Spezifikationen unterstreicht.
Schaltnetzteile, die IGBT-Module verwenden,
können eine erhebliche Quelle elektromagnetischer Störungen (EMI) sein. In SnubberSchaltungen werden Folienkondensatoren zur
Spannungsreduzierung und Reduzierung von
durch diese IGBTs ausgelösten Stromspitzen
eingesetzt. Die metallisierten Polypropylenfolien-Snubber-Kondensatoren von Vishay lassen sich direkt auf ein IGBT-Modul montieren
und decken den breiten Kapazitätsbereich von
0,047 bis 10 µF ab.
Wie bei den meisten Technologien, sieht man
sich auch hier häufig Zielkonflikten ausgesetzt. In der Regel werden Keramikkondensatoren bei Anwendungen eingesetzt, die hochzuverlässig arbeiten müssen, beispielsweise in
militärischen und Luftfahrtsystemen, in Telekomnetzen und in der Medizinelektronik.
Weil Bauteile in einem breiten Temperaturbereich und bei hohen Spannungen funktionieren müssen, ist der verfügbare Kapazitätsbereich oft eingeschränkt, doch durch Begrenzung der Spannung auf 25 V hat AVX den
Kapazitätsbereich bei seiner neuesten MILPRF-49470-SMPS-Kondensatorreihe erhöht.
Diese Reihe bietet ein hohes ZuverlässigkeitsScreening gemäß der Spezifikation MILPRF-49470 B-Level und arbeitet im bei militärischen Ausrüstungen üblichen Temperaturbereich von –55 bis +125 °C bei Kapazitätswerten von 1,5 bis 390 μF.
Induktivitäten: magnetisch geschirmte
und Perlinduktivitäten
Während die Entwicklung der Schalttechnologie für Stromversorgungen zunächst zwar
die Möglichkeit bot, auf schwere und sperrige
Netztransformatoren zu verzichten, so waren
bei diesen Designs doch immer noch relativ
hochwertige Induktivitäten erforderlich. Die
Weiterentwicklung zweckbestimmter integrierter Schaltungen für DC-DC-Wandler hat
dann zu Stromversorgungslösungen mit elektrischen Spannungen geführt, die erhöht oder
verringert wurden, je nach Erfordernis am
Point of Load (POL). Solche Wandler sind heute klein genug, um in mobilen elektronischen
Geräten wie Laptops und Tablets eingesetzt
werden zu können – somit werden dafür aber
auch entsprechend kompakte Induktivitäten
benötigt. Bourns hat auf diese Nachfrage reagiert und neue, geschirmte Hochstromindu-
18
ktivitäten auf den Markt gebracht, die gekapselt sind und einen Eisenpulverkern verwenden, wodurch eine kompakte Größe, ein niedriger Gleichstromwiderstand und eine hohe
Stromtragfähigkeit erreicht werden. Der magnetisch geschirmte Aufbau sorgt für geringe
Strahlung. Dadurch kann die Bauteildichte
auf der Leiterplatte erhöht werden. Die
SRP5030T-Reihe hat bei einer Standfläche
von 5,7 x 5,2 mm und einer Höhe von 2,8 mm,
eine Induktivität von 0,33 bis 10 μH, eine
Wechselstrombelastbarkeit von bis zu 14 A
(–40 bis +125 °C) und einen Sättigungsstrom
von bis zu 18 A. Die SRP6540-Serie hat eine
Induktivität von bis zu 47 μH in einem etwas
größeren Gehäuse von 7,2 x 6,5 x 4 mm (Höhe), eine noch niedrigere Betriebstemperaturbereichsgrenze von –55 °C und eine Wechselstrombelastbarkeit und einen Sättigungsstrom
von bis zu 18 A.
Schaltnetzteile, DC-DC-Wandler und DC-ACWechselrichter arbeiten in der Regel bei
Schaltfrequenzen von 100 kHz bis 1 MHz. Wie
bereits im Zusammenhang mit den SnubberKondensatoren erwähnt, kommt es bei diesen
Frequenzen zu unerwünschten elektromagnetischen Störungen, vor allem wenn die Stromleiter im Netzteil unbeabsichtigt als Antenne
fungieren und somit die Ausbreitung dieser
RF-Signale begünstigen. Eine herkömmliche
Methode zur Unterdrückung dieser Signale ist
das Anbringen von Ferritperlen an den Kabeln,
die bei Verwendung in Induktivitäten auch
einen wirksamen Tiefpassfilter bilden. Auch
Murata hat auf die Nachfrage nach kompakten, oberflächenmontierten Perlinduktivitäten
in Anwendungen reagiert, für die wenig
Grundfläche zur Verfügung steht. Die niedrigen Induktivitätswerte (80 bis 200 nH) und
der hohe Nennstrom (bis 57 Apk) ihrer 3000Aund 3000B-Reihe flacher Induktivitäten sind
für Hochfrequenz-PSUs geeignet, und die Verwendung von verlustarmem Kernmaterial in
Verbindung mit einem niedrigen Serienwiderstand äußert sich in einem hohen Gesamtwirkungsgrad.
Widerstände: Sicherheitswiderstände
und selbst-rückstellende Sicherungen
Diese Art von Widerständen ist als Überlastschutz (Überstrom und Überspannung) für
Netzgeräte vorgesehen und hilft den Entwicklern bei der Einhaltung von UL- und anderen
Sicherheitsrichtlinien. Vishay beschreibt Sicherheitswiderstände als »lautlose« Sicherungen; bei normalem Betrieb fungieren sie als
Einschaltstrombegrenzer, schmelzen unter
Überlastbedingungen jedoch sicher und leise.
Schraubklemmen-Aluminium-Elektrolytkondensator
von EPCOS
Quelle: Avnet Abacus
Seine axial zementierten, drahtgewickelten
AC03-Sicherheitswiderstände haben eine Impulsfestigkeit von 2 kV und eine Schmelzzeit
von <30 s bei einer Überlast von 45 W im
Vergleich zur Nennspannung von 3 W bei 40
°C.
Rücksetzbare Sicherungen sind echte nichtlineare Thermistoren mit einem positiven Temperaturkoeffizienten auf Polymerbasis (PPTC).
Im normalen Betrieb haben sie einen niedrigen Widerstand. Sobald sie sich dem definierten Auslösestrom annähern, erreicht das Gerät eine Schwellentemperatur, oberhalb derer
der Widerstand drastisch steigt, den Strom
wirksam begrenzt und das Gerät abschaltet.
Wenn das Gerät abgekühlt ist, kehrt das Gerät
in den normalen Betriebszustand zurück. Sollte der Fehler weiterhin vorhanden sein, löst
der PPTC wieder aus. Die neue MF-RM-Reihe
radialer, rücksetzbwarer Durchstecksicherungen ist die erste Serie von PPTC-Elementen der
Firma Bourns, die mit normalem Wechselstrom von bis zu 240 V betrieben werden können, sodass sie sich für eine Reihe von industriellen und Haushaltsendgeräte-Netzteilen
eignen.
Zusätzlich zu den vorstehend genannten Herstellern ist Avnet Abacus Lizenzvertragshändler folgender Hersteller in Europa, die passive
Komponenten für Stromanwendungen anbieten: Cooper Bussmann, Dubilier, NIC, Nichicon, Panasonic, Pulse, Rubycon, Samsung,
Schaffner, TE Connectivity, Toko und Vitrohm
& Yageo. (st)
■
Sonderheft Power Management Powered by
www.silica.com/power
Silica|Entwicklungsumgebung Ein Überblick
Simulations-Tools
der Hersteller
Die Hersteller von Power-Produkten bieten den Entwicklern diverse Simulations-Tools an,
um ihnen die Entwicklung von Power-Designs zu erleichtern.
Von Franco Montanari *
Im WEBENCH Design Centre (www.ti.com/
webench) sind sowohl Grundlagen-Tools für
das Design von Schaltungen sowie fortschrittliche Tools zu finden, die beim Design auf
Systemebene helfen. Die WEBENCH Design
Tools bieten folgende Funktionen:
• Der Anwender kann sein Design in Bezug
auf Größe, Wirkungsgrad oder Kosten optimieren;
• Visualisierungsmöglichkeiten für die unterschiedlichen Optimierungsansätze;
• SPICE-Simulation für eine schnellere und
tiefergehende Analyse des Power-Designs;
• Leistungsstarke Export-Funktionen in CADTools, um die Produktivität zu erhöhen und die
Entwicklungszeit zu verkürzen.
Texas Instruments stellt folgende DesignTools zur Verfügung:
WEBENCH Power Designer: Hiermit lassen
sich Stromversorgungen oder Spannungswandler entwickeln, die speziellen DesignAnforderungen genügen müssen. Der Entwickler kann zwischen allen möglichen Lösungen wählen, indem er das WEBENCH Visualizer Interface nutzt und die speziellen
Präferenzen über den WEBENCH Optimizer
Dial einstellt.
kungsgrad auswählen und vergleichen und
das Schaltungsverhalten simulieren.
mehrere Lasten zu Simulations- und Optimierungszwecken eingeben.
WEBENCH Power Architect: Damit kann der
Entwickler leistungsfähige DC/DC-Stromversorgungen mit mehreren Ausgängen realisieren, einschließlich einer ganzen Reihe von
Zwischenkreisspannungen, und das Design
optimieren.
WEBENCH LED Architect: Damit können
alternative LED-Beleuchtungs-Designs (bis zu
einem Lichtstrom von 100.000 Lumen) entworfen und hinsichtlich Wirkungsgrad, Größe
und Kosten verglichen werden.
WEBENCH System Power Architect: Damit
können Entwickler isolierte hotswap-fähige
Stromversorgungsysteme, vom Einspeisungspunkt bis hin zur kleinsten Last, realisieren.
Mehr als 200 FPGAs und Prozessoren stehen
vorkonfiguriert mit den kritischen Parametern
zur Verfügung.
WEBENCH Processor Power Architect: hilft
Stromversorgungen für ARM-Prozessoren innerhalb von Minuten zu modellieren und zu
optimieren. Im Tool stecken detaillierte Angaben zur Stromversorgung von über 450 FPGAs
und Mikrocontrollern/Mikroprozessoren.
WEBENCH FPGA Power Architect: hilft bei
der Realisierung von Stromversorgungen für
die neuesten FPGAs, einschließlich aller Anforderungen an Spannungen und Ströme. Mit
ihm lassen sich mehrere Spannungen und
WEBENCH LED Designer: Damit kann der
Entwickler eine LED-Beleuchtung mit bis zu
60 LEDs (in Serie oder parallel geschaltet) realisieren. Detaillierte Informationen über 450
der neuesten LED-Komponenten von führenden Herstellern sind verfügbar. Der Entwickler
kann die Anforderungen an Größe und WirSonderheft Power Management Powered by
www.silica.com/power
* Franco Montanari
ist Strategic Marketing
Director Europe bei Silica.
Bei STMicroelectronics’ eDesignSuite (www.
st.com/edesignsuite) handelt es sich um ein
intelligentes Simulations-Tool. Es eignet sich
für viele verschiedene Applikationen, einschließlich DC/DC-Schaltregler, AC/DCSchaltregler, LED-DC/DC- und AC/DC-Wandler, Photovoltaik und Batterieladegeräte. Sobald der Entwickler eine Applikation ausgewählt und die I/O-Spezifikationen eingegeben
hat, wird er zu den richtigen ICs weitergeleitet, so dass er seine Schaltung schnell erstellen kann. Danach kann er das Design noch
verfeinern, indem er Standard-Komponenten
(LEDs, Spulen, Kondensatoren) nimmt und das
Design einfriert, basierend auf folgenden Ressourcen:
• Vollständig interaktive Schaltpläne und Materialkosten;
• Bode-Diagramm zur Stabilitätsbetrachtung,
• Verlustleistung und Analyse des Wirkungsgrads
• Simulation des Spannungs- und Stromverlaufs.
19
Silica|Entwicklungsumgebung Infineon bietet eine Vielzahl von Tools (http://
www.infineon.com/cms/en/product/promopages/designtools/index.html), die dem Entwickler dabei helfen, auf Basis seiner Anforderungen für seine Applikation das richtige
Produkt zu finden. Geht es um Leistungselektronik, dann kann er unter drei Online-Simulations-Tools auswählen:
Infineon Light Desk: ein Online-Tool für das
Design von LED-Treibern. Damit kann der Entwickler seine LED-Treiberschaltung schnell
designen und simulieren. Mit den Optionen
zum Redesign kann er die Spezifikationen der
externen Komponenten gemäß seinen eigenen Vorstellungen verändern. Im Ergebnisbereich findet er eine Zusammenfassung des
Applikationsschaltplans und der Simulationsdaten sowie eine Auflistung der Materialkosten, einschließlich Details über den Trafo. Das
Tool kann auch für AC/DC-Offline-Stromversorgungen, DC/DC-LED-Treiber und lineare
Stromquellen genutzt werden.
Link zum PowerEsim portal: Die Entwickler
können vom Infineon-Portal direkt auf das
PowerESim-CAD-Tool zugreifen, das für die
Entwicklung von Schaltreglern für verschiedene Anwendungen genutzt wird. Es müssen
ein paar Eingaben gemacht werden, zwischen
den verschiedenen Topologien (zum Beispiel
Flyback AC/DC, PFC CCM AC/DC, PFC DCM,
LLC DC/DC, Full Bridge DC/DC, LED Treiber mit
Leistungsfaktorkorrektur,etc.) eine ausgewählt werden, und schon wird das Design
erstellt, eine Simulation durchgeführt und die
komplette Materialkosten berechnet. Mit diesem Tool kann auch der Trafo entworfen werden.
IPOSIM: Das Power-Simulationsprogramm
von Infineon unterstützt den Entwickler bei
der Auswahl des richtigen Produkts, sei es
ein Bipolar-Modul oder Scheiben für einen
Gleichrichter (B2, B6, M3.2 und M6) oder
AC-Schalter (W1C und W3C), oder ein IGBTModul für einen Inverter oder DC-Wandler
(Aufwärts-und Abwärtswandler). IPOSIM
führt die Berechnungen für die Schalt- und
Leitungsverluste aller Komponenten durch
und berücksichtigt dabei auch thermische
Vorgaben. Wo möglich, können auch verschiedene Regelalgorithmen angewandt
20
werden. Thermische Bedingungen können
durch Kühlkörper adressiert werden, die der
Entwickler selbst definiert oder indem er bereits definierte Kühlkörper verwendet. Neben
einzelnen Arbeitspunkten lassen sich auch
komplette Lastzyklen berechnen. Die Ergebnisse werden tabellarisch und graphisch dargestellt und können für eine spätere Betrachtung ausgedruckt oder als PDF-Datei
abgespeichert werden.
Mit dem EE-Sim Design-Generation und Simulations-Tool (http://www.maximintegrated.com/ee_sim/index.mvp) von Maxim Integrated können Schaltungen online erstellt
und simuliert werden. Dazu muss der Entwickler detaillierte Eingaben machen, mit
denen das EE-Sim Tool einen interaktiven
Schaltplan einschließlich der Komponenten
erstellt, die vom Entwickler wiederum verändert werden können. EE-Sim stellt aber
gleichzeitig auch ein sehr effizientes Simulations-Tool dar. Jeder Design-Schritt kann innerhalb von wenigen Minuten simuliert werden.
Die entstandenen Kurvenverläufe, wie das
Bode-Diagramm und Spannungskurven, können im Waveform-Viewer analysiert werden,
der im Tool inbegriffen ist. Danach müssen nur
noch die Spezifikationen, der Schaltplan, die
Materialkosten und die Ergebnisse abgespeichert oder ausgedruckt werden. Die Materialkosten, einschließlich der Bauteilenummer,
können heruntergeladen werden. Der Entwickler kann sich aber auch eine Version von
EE-Sim auf seinen Rechner kostenlos herunterladen und dort die beschriebenen Schritte
durchführen.
Auf der Web-Seite MyPower (http://www.irf.
com/design-center/mypower/) sind die Tools
von International Rectifier für Power-Designs
zu finden. Das POL SupIRBuck Design Tool
hilft bei der Entwicklung von DC/DC-Wand-
lern. Mit dem PFC Circuit Analyzer und einem
Satz an Komponenten kann ein komplettes
Design aufgebaut werden, das der Entwickler
dann analysieren kann, einschließlich der
vollständigen Materialkosten. Der Sync Rec
Evaluator wird für das Design synchroner
Gleichrichterschaltungen genutzt. Mit dem
Tool kann der Wirkungsgrad verbessert werden, verschiedene MOSFETs können verglichen und alle Werte berechnet werden. Der
Ballast Design Assistant generiert ein vollständiges elektronisches Schaltbild des Vorschaltgeräts, die dazugehörige Bauteilliste
sowie alle Drossel-Spezifikationen für einen
gewählten Lampentyp und Eingangsspannungsbereich. Es steht zusätzlich eine erweiterte Darstellung aller Lampenanforderungen
und der dazugehörigen Arbeitspunkte der
Vorschaltgeräte zur Verfügung. Die Graphik
»Time Domaine« zeigt die wirklichen Ausgangskurven der Vorschaltgeräte. Mit dem
Inductor Designer können auch alle Werte für
die Spulen berechnet werden, wie Kerngröße,
Luftspalt und Anzahl der Wicklungen. Tabellen mit elektrischen Daten und Komponenten
sind ebenfalls enthalten, so dass die gesamte
Vorschaltproduktfamilie optimiert werden
kann.
Der MOSFET-Selector für Buswandler wird
dazu verwendet, um MOSFET-Paare für Halb-,
Vollbrücken und Vorwärtswandler optimal
auszuwählen.Die IGBT-Tools wiederum helfen
bei der Auswahl und Optimierung von IGBTs
unter Berücksichtung der Arbeitstemperatur.
Bei Analog Devices kann der Entwickler auf
der ADIsimPower Web-Seite (http://designtools.analog.com/dtPowerWeb/dtPowerMain.aspx) eine Sammlung von Excel-Tabellen finden, die er herunterladen und mit
denen er vollständige Power-Designs erstellen kann. Die Designs sind in Hinblick auf
Kosten, Fläche, Wirkungsgrad und Komponentenanzahl optimierbar.
Der Entwickler erhält gemäß seiner speziellen Vorgaben in wenigen Minuten einen
Schaltplan, die Materialkosten und Leistungsdaten. Er kann die gewünschten Spulen, Feldeffekttransistoren, Dioden und Widerstände auswählen, aber auch direkt ein
Evaluierungs-Board bestellen, um sein De-
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www.silica.com/power
sign aufzubauen und zu testen. Auf der WebSeite für die Multi-Output-Spannungsregler
kann der Entwickler mehr darüber lernen,
wie er ein Design mit mehreren Ausgangsspannungen in einem kleinen Gehäuse und
zu niedrigen Kosten realisieren kann.
Der Diodes Circuit Simulator (http://www.
diodes.com/destools/simulators.htm) ist ein
Simulator, den die Entwickler kostenlos herunterladen können. Damit können sie eine
Schaltung erstellen und simulieren, bevor ein
Prototyp erstellt wird. Mithilfe der SPICEModelle von Diodes kann der Entwickler
schnell die besten Komponenten für seine
Die Online-Design-Tools des Halbleiter-Herstellers NXP Semiconductors (http://www.
nxp.com/design-portal/simport.html) beinhalten zum Beispiel die Flyback SMPS Design Tools. Mit diesen Entwicklungswerkzeugen kann der Entwickler Flyback-Wandler auf
Basis der kostengünstigen Schaltregler-ICs
TEA1721, TEA1723, TEA1733 und TEA1738
realisieren. Danach kann er alle Design-Parameter, Ergebnisse und Kurvenverläufe automatisch in ein Excel-Sheet exportieren, um sie
dort weiterzuverarbeiten oder einfach nur zu
präsentieren.
Der Entwickler wird Schritt für Schritt durch
die Berechnungen geführt, so dass er alle
relevanten Parameter erhält.
Das »Isolated and Non Isolated LED Driver
Design Tool« hilft bei der Entwicklung von
LED-Treibern für einen Leistungsbereich zwischen 2 und 25 W. In den Applikationen sind
SSL-Lampen mit alten Fassungen (zum Beispiel GU10, E27), LED-Module, separate
Stromversorgungen, LED-Spots und LEDLichterketten zu finden. Die Ausgangsleistung wird vom Entwickler definiert und festgelegt.
Das Dimmen erfolgt entweder mithilfe einer
Pulsbreitenmodulation oder einer Netzdimmbaren Lösung. Das Tool erzeugt den
Schaltplan, berechnet die Materialkosten,
die Trafo-Parameter sowie den Wirkungsgrad
und bietet einen Überblick über die Verluste.
Um die Applikation besser zu verstehen, kann
der Entwickler sein Design simulieren – online oder lokal auf der eigenen Festplatte,
sobald er den Schaltplan und Simulator heruntergeladen hat.
_0AOK9_TI_shSilica.pdf;S: 1;Format:(230.00 x 50.00 mm);16. May 2013 14:51:12
Getting you to market faster: free quick and easy to use
PowerLab™ Power
Reference Design Library
WEBENCH®
Design Center
ti.com/powerlab-eu
ti.com/webench-eu
Power Stage Designer™
power supply.
ti.com/powerstagedesigner
TI Power
Design Tools
Find out how TI will power your solutions:
www.ti.com/power-eu
Getting you to market faster:
Applikation bestimmen. Der Diodes Simulator ist ein analoger Simulator, der sich hervorragend für die Entwicklung von Leistungsschaltungsblöcken eignet. Sobald der
Diodes Circuit Simulator heruntergeladen
wurde, sollte der Entwickler ihn auf seine
lokale Festplatte speichern und das Installationsprogramm aufrufen. Sobald die Installation abgeschlossen ist, kann der Entwickler
so viele Schaltpläne öffnen oder herunterladen, wie er möchte. Die Auswahl an Simulationsbeispielen basiert auf den Produkten
von Diodes.
Die Schaltungen können als Hilfestellung benutzt werden, bevor der Entwickler seine eigene Schaltung aufbaut. Allerdings sind wie
bei allen Simulationen nicht alle Aspekte der
wirklichen Schaltungsperformance modelliert, was bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden sollte.
Sonderheft Power Management Powered by
Mit dem »Resonant SMPS Design Tool« lassen sich Stromversorgungs-Designs auf Basis
der Resonanz-Controller TEA1610, TEA1611
und TEA1713 LLC von NXP Semiconductors
deutlich vereinfachen. Die Software startet
mit einer Überblicksansicht, auf der der Entwickler die Produkte auswählen kann, die am
besten in seine jeweilige Applikation passen.
Das Tool erzeugt Schaltpläne, es berechnet
die Materialkosten und die Trafo-Parameter.
Darüber hinaus berechnet es auch die Verlustleistung.
Mit der SIMPORT MOSFET Simulation kann
die Auswahl des MOSFETs innerhalb einer
speziellen Applikationsumgebung optimiert
und die Leistungsfähigkeit der MOSFETs
schnell beurteilt werden. Die Simulation der
MOSFET-Leistung geschieht interaktiv und
bietet eine Analyse, die weit über die Daten
aus den Datenblättern hinausgeht.
www.silica.com/power
MIt dem Online-Design-Tool »ROHM Electronic Laboratory« (http://www.rohm.com/web/
global/rohm_e-lab) kann der Entwickler Produkte und Schaltungen im Web evaluieren.
Schaltungskonstanten und Eingabeparameter
können frei gewählt werden und die erzeugten Bauteilelisten vereinfachen die Produkteauswahl deutlich. Die Produktpalette wird
ständig erweitert, so dass es sich lohnt, die
Webseite regelmäßig zu konsultieren. Die
21
Silica|Entwicklungsumgebung nutzbaren IC-Serien umfassen Schaltregler
und H-Brücken-Treiber. Mit dem Tool können
Charakteristika und Betrieb einfach verifiziert und evaluiert werden. Der Entwickler
kann die Betriebsbedingungen und Schaltungskonstanten vollkommen frei angleichen. Das Tool erzeugt nach der Verifikation
Bauteilelisten. Die Modifikation in den Listen
werden vom Tool gespeichert, so dass mit den
bereits erarbeiteten Daten zu einem späteren
Zeitpunkt weitergearbeitet werden kann.
Das »GreenPoint Design Simulation Tool«
(https://onsemi.transim.com/greenpoint/Pages/PartSelection.aspx) von ON Semiconductor ist ein interaktives Design- und Verifika-
tions-Werkzeug, mit dem die Entwickler relativ einfach elektronische Designs erstellen
und validieren können.
Es stehen Online-Tools sowohl für LED-Designs als auch für DC/DC-Wandler zur Verfügung. Nachdem der Entwickler einen geigneten Baustein ausgewählt und seine DesignAnforderungen eingegeben hat, kann er das
Design simulieren und analysieren, speichern
und das Design auch mit anderen teilen. Er
kann den Schaltplan, die Materialkosten und
die berechneten Leistungswerte herunterladen.
Das Offline-Tool beinhaltet eine beschränkte
Version des SIMetrix/SIMPLIS Simulators. Mit
dieser Version kann der Entwickler sein Design
offline erstellen und simulieren, indem er die
heruntergeladenen Schaltpläne aus dem Online-Tool verwendet.
Bei Renesas Electronics können die für die
jeweilige Anwendung am besten geeigneten
IGBT/SJ-MOSFETs unter der Web-Adresse
http://am.renesas.com/products/discrete/
peer/Designtopologies.jsp anhand von verschiedenen Design-Topologien ausgewählt
werden.
Es stehen folgende Topologien zur Verfügung:
Single PFC (Leistungsfaktorkorrektur), 2-Phasen-Interleaved-PFC, Brückenlose PFC, ZVSInverter (Single Switch), Halbbrücken-Inverter, Vollbrücken-Inverter, 3-Phasen-Inverter
(Motor), Flusswandler, Vollbrücken-Wandler,
Halbbrücken-Wandler, Flyback-Wandler. Der
Entwickler kann mit Power eSim sein Design simulieren und den Wirkungsgrad berechnen. (st)
■
Ein wichtiger Eckstein in Silicas Power-Strategie:
Die Silica Power-Labs
Silica baut derzeit in Poing bei München, in Stockholm, London,
Mailand und Paris Power-Labs auf. Jedes einzelne Power Lab wird
zunächst mit folgendem Equipment ausgestattet sein:
• 4-Kanal-Oszilloskope: 100 MHz Bandbreite, 2,5 GS/s;
• Stromzange: 30 A, 120 MHz, kompatibel zum Oszilloskop,
• Gleichstromversorgungen mit drei Ausgängen: 2 mal 32 V - 2 A,
einmal 6 V bis 5 V, 3-mV-Schritte, parallel und serielle Verbindungen, programmierbar;
• Multimeter zur Messung von Spannung, Strom, Widerstand, Kapazität, Dioden, Frequenzen;
• Elektronische Last: 0 bis 160 V, 0 bis 400 W, konstante Leistung,
konstante Spannung und konstanter Widerstand;
• Temperaturmessgerät;
• Lötstationen (80 W) mit Temperaturregelung;
• Testkabel und anderes Zubehör;
• Power-Simulator-Software.
Dieses Equipment stellt zunächst einmal die Grundausstattung
dar, mit der Silica all seine Power-Labs noch in diesem Jahr ausrüsten wird. Selbstverständlich wird die Ausstattung erweitert und
ergänzt, wenn sich im Laufe der Zeit zeigt, dass noch zusätzliches
Equipment benötigt wird. Die Investitionen in diese Power-Labs
werden auf konkreten Anwendungserfahrungen basieren.
Damit sollen folgende Ziele erreicht werden:
• Silicas Mitarbeiter können ihr Wissen rund um die PowerTechnologien vergrößern und verbessern, wenn sie Hands-onTrainings absolvieren und Tests durchführen. Sie können dort die
Evaluation- und Demo-Boards der Silica-Lieferanten nutzen und
sich gründlich einarbeiten. Denn mit dem dort verfügbaren elek-
22
tronischen Equipment können sie die technischen Parameter der
Boards besser verstehen. Sie haben darüber hinaus die Möglichkeit, das Verhalten von Schaltungen zu simulieren und die Ergebnisse mit dem zu vergleichen, was in den Datenblättern und den
Handbüchern steht.
• Die FAEs von Silica können die Power-Labs aber auch dazu nutzen, die Designs ihrer Kunden zu analysieren. Damit sind sie in der
Lage, dem Kunden dabei zu helfen herauszufinden, ob das, was
entwickelt wurde, auch mit dem übereinstimmt, was ursprünglich
verlangt wurde. Es stehen alle Hilfsmittel zur Verfügung, mit denen sich prüfen lässt, ob die Elektronik stabil läuft und genau das
liefert, was erwartet wird.
Das Equipment vor Ort kann somit sowohl den Silica-FAEs als auch
den Silica-Kunden dabei helfen, die Funktionalität eines Designs
zu analysieren und die Zuverlässigkeit der Power-Schaltungen zu
überprüfen. Beide Seiten können die elektrische und thermische
Leistungsfähigkeit eines Designs verifizieren.
Mit den Power-Labs ist Silica aber auch in der Lage, Kunden effektiv dabei zu helfen, ihre Designs gemäß ihrer speziellen Anforderungen auszulegen und die elektrischen Leistungsparameter
ihrer Endprodukte zu verbessern. Auch die Verifikation komplett
neuer Designs und innovativer Ansätze stellt für die Power-Labs
kein Problem dar. Alle Ergebnisse, die in den Power-Labs durch
elektrische und funktionale Tests ermittelt wurden und die das
Verhalten der Schaltung beschreiben, können in detaillierten Berichten zusammengefasst werden, um sie danach weitergehend
zu analysieren. (st)
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www.silica.com/power
_0AQF3_Microchip_neu_smt_silica.pdf;S: 1;Format:(230.00 x 297.00 mm);24. May 2013 15:43:06
The world’s first digitally enhanced power analog controller
New analog-based power management controller with
integrated microcontroller
Combine the flexibility and I2C communication of digital DC/DC power
conversion, with the speed, performance and resolution of analog-based
control, by using Microchip’s new MCP19111 power management controller.
The MCP19111 is a new hybrid, mixed-signal controller which combines analog
and digital power management into a single chip. By integrating an analog-based
PWM controller, a Flash-based 8-bit PIC® microcontroller, and MOSFET drivers for
synchronous, step-down applications, the MCP19111 enables configurable, highefficiency power conversion.
With transient performance of analog power conversion, the MCP19111 eliminates
the need for a high-MIPS microcontroller or a high-speed A/D converter,
minimising solution cost and power consumption.
GET STARTED IN
3 EASY STEPS:
1. Evaluate the MCP19111 using the
low-cost ADM00397 board
2. Combine with SMPS-optimised
MCP87xxx MOSFETs
3. Customise DC/DC conversion to
match your application
To support even higher efficiency, the MCP19111 can be used to drive Microchip’s
latest MCP87xxx high-speed, SMPS-optimised MOSFETs. These logic-level 25V
MOSFETs offer a low Figure of Merit (FOM) with on-state resistance from 1.8 mΩ to
13 mΩ to deliver higher DC/DC power conversion efficiency.
For more information, go to: www.born-power.com
The Microchip name and logo, and MPLAB are registered trademarks of Microchip Technology Incorporated in the U.S.A. and other countries. All other trademarks mentioned herein are the property of their respective companies.
©2013 Microchip Technology Inc. All rights reserved. DS25169A. ME1058Eng02.13D
Silica|Power-Experten Analog Devices
Höhere Effizienz primär
geregelter Schaltnetzteile
Die neuen isolierten Fehlerverstärker ADuM3190 und
ADuM4190 von Analog Devices
treten an, um die Nachteile
der bisherigen OptokopplerLösungen zu eliminieren.
Von Henryk Hauer *
* Henryk Hauer ist Senior
Field Application Engineer
bei Silica/Deutschland
Das Evaluation-Board EVAL-ADuM3190EBZ
Quelle: Analog Devices
24
Funktionales
Blockdiagramm
für den ADUM3190
Quelle: Analog Devices
D
er häufig verwendete Aufbau aus Optokoppler und Shunt-Regler für die
lineare Rückkopplung hat technologiebedingt einige Limitierungen:
• Die geringe Bandbreite der Regelschleife
begrenzt das Ansprechverhalten bei Last- und
Versorgungsspannungsänderungen.
• Die Änderung der CTR (Current Transfer Ratio) des Optokopplers über Temperatur und
Lebensdauer erfordert eine Überkompensation und verringert dadurch zusätzlich die Geschwindigkeit der Regelschleife.
• Die Ansteuerung der LED im Optokoppler
verbraucht ca. 100 mW Energie.
• Der Arbeitstemperaturbereich der Optokoppler ist meist auf max. 85 °C beschränkt.
Die auf der inzwischen vielfach bewährten
iCoupler-Technologie von Analog Devices basierenden ADuM3190 und ADuM4190 können
als Single-Chip-Lösung hier ihre Vorteile voll
zur Geltung bringen. Sie bieten gegenüber
einem auf Optokopplern basierenden Ansatz
einen deutlichen Performance-Gewinn durch
eine bis zu zehnfach höhere Bandbreite bei
nur zirka einem Drittel des Stromverbrauchs.
Durch die schnellere Regelschleife können die
Netzteile höher getaktet werden, wodurch
zum Beispiel die Größen von Ausgangsspule
und -Kondensator verringert werden können.
Hinzu kommen noch der 25-prozentige geringere eigene Platzverbrauch und die garantierten Maximalwerte über den vollen Arbeitstemperaturbereich von –40 bis 125 °C.
Weitere Vorteile bieten der enthaltene Operationsverstärker, der mit seinem 10-MHzVerstärkungs-Bandbreiten-Produkt hohe
Schaltfrequenzen ermöglicht, und die integrierte 1,225-V-Referenz, deren Stabilität mit
1 Prozent über Temperatur und Lebensdauer
eine hohe Genauigkeit der Ausgangsspannung
sicherstellt.
Zusammenfassend kann man sagen, dass diese neuen Vertreter der iCoupler-Familie Entwicklern die Möglichkeit bieten, die Performance von sekundärseitig geregelten Netzteilen in Bezug auf das Transientenverhalten mit
der deutlich kostengünstigeren Technik der
primärseitigen Regelung zu erreichen. Hier
wichtige Eigenschaften der isolierten Fehlerverstärker ADuM3190 und ADuM4190:
• Bandbreite: 400 kHz;
• 0,5% Anfangsgenauigkeit bei 25 °C;
• 1% Gesamtgenauigkeit von –40 bis +125˚C
• weiter Eingangsspannungsbereich von 3 bis
20 V;
• geringe Stromaufnahme von unter 7 mA;
• als Spannungs- oder Stromausgang konfigurierbar;
• Unterspannungs-Abschaltung (UVLO);
• kompatibel zum DOSA-Standard (Distributed-power Open Standards Alliance);
• Isolationsspannung: 2,5 kV rms (ADuM3190)
bzw. 5 kV rms (verstärkt, ADuM4190)
Mit dem Evaluation Board »EVAL-ADuM3190EBZ« (http://www.analog.com/en/evaluation/
EVAL-ADUM3190/eb.html) ist ein schnelles
Erproben der Vorteile des ADUM3190 möglich. Im zugehörigen User Guide »UG-534«
(http://www.analog.com/static/importedfiles/user_guides/UG-534.pdf) stehen zusätzliche Hinweise zur Messung der Genauigkeit
und zum Layout zur Verfügung. (st)
■
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www.silica.com/power
Diodes
LED-Treiber
für High-Brightness-LEDs
Die AL9910/A-Bausteine von
Diodes sind Hochvolt-PWM-Controller, die sich hervorragend für
effiziente Offline-LED-Beleuchtungen mit gleichgerichteter Netzspannung von 85 bis 277 V (AC)
eignen.
Von Simone Franceschin *
* Simone Franceschin
ist Field Application
Engineer bei Silica,
Italien.
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D
er AL9910 treibt einen externen MOSFET mit einer über einen Widerstand
programmierbaren Schaltfrequenz bis
300 kHz an. Die AL9910-Topologie erlaubt
einen Konstantstrom für LEDs, um einen
konstanten Lichtstrom zu erzeugen. Der Ausgangsstrom wird über einen externen Widerstand programmiert und ist letztlich durch
den gewählten externen MOSFET bestimmt.
So ist es möglich, sowohl viele stromsparende als auch nur einige LEDs anzutreiben.
Die LED-Helligkeit kann über einen linearen
und über einen PWM-Dimm-Eingang (entweder über den LD-Pin oder PWM_D-Pin) variiert
werden. Der PWM_D-Eingang arbeitet mit
einem Tastverhältnis von 9 bis 100 Prozent
und einer Frequenz von bis zu einigen kHz. Der
AL9910 kann Eingangsspannungen von bis zu
500 V standhalten, wodurch er sehr robust
gegenüber Spannungsschwankungen in der
Standardhauptspannung ist. Der Baustein
weist folgende wichtige Eigenschaften auf:
• eine Effizienz von über 90 Prozent;
• universelle, gleichgerichtete Eingangsspannungen zwischen 85 bis 277 V (AC)
• Eingangsspannungspitzen
von bis zu 500 V;
• interner Spannungsregler macht StartupWiderstand überflüssig
• 7,5 V MOSFET-Ansteuerspannung (AL9910)
bzw. 10 V MOSFET-Ansteuerspannung
(AL9910A);
• Strommesstoleranz von 5 Prozent
(AL9910-5);
• Helligkeitsregelung mit linearem oder
PWM-Dimmen
• Schutz gegenüber Übertemperatur (OTP);
• verfügbar in SO-8- und SO-8EP Gehäusen.
www.silica.com/power
Die LED-Treiber eignen sich für Offline-LEDBeleuchtungssysteme sowie für Beschilderungen und dekorative Beleuchtungen auf
Basis von LEDs. Darüber hinaus können die
Bausteine auch in der Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen eingesetzt werden oder als General-Purpose-Konstantstromquelle zum Einsatz kommen.
Für die Bausteine stehen Entwicklungs-Tools
zur Verfügung. Das Evaluation-Board
(AL9910EV9) eignet sich zur Evaluierung einer
dimmbaren Beleuchtungsanwendung. Das
Triac-dimmbare Board eignet sich für eine
Phasenanschnitts- und Phasenabschnittsdimmung. Der Dimm-Bereich reicht von voller
Helligkeit bis hinunter zu noch rund 1 Prozent
Helligkeit. Die Ausgangsleistung kann zwischen 8 bis 13 W gewählt werden. Auf dem
Board ist eine aktive Leistungsfaktorkorrektur
mit einem Leistungsfaktor von über 0,9 Prozent implementiert. Das Board kommt ohne
elektrolytische Kondensatoren aus und ermöglicht eine lange Lebensdauer.
Darüber hinaus gibt es auch ein EvaluationBoard (AL9910EV8) für nicht-dimmbare Anwendungen mit 230 V (AC). Hier kann eine
Ausgangsleistung zwischen 2 und 11 W gewählt werden. Auch hier ist eine aktive Leistungsfaktorkorrektur mit einem Leistungsfaktor von über 0,9 Prozent implementiert. Das
Board kommt ohne elektrolytische Kondensatoren aus, ermöglicht eine lange Lebensdauer
und eignet sich für den Betrieb bei hohen
Temperaturen. (st)
■
Die wichtigsten Parameter der LED-Treiber
Quelle: Diodes
25
Silica|Power-Experten Infineon Technologies
One Stop Shopping
für kleine Elektrofahrzeuge
Obwohl der Markt für Elektrofahrzeuge in jüngster Zeit enorm gewachsen ist, stellen der hohe Preis
und die Systemzuverlässigkeit immer noch Problempunkte dar. Um die Entwicklungskosten zu reduzieren
und eine optimale Lösung zu finden, bietet Infineon wertvollen zusätzlichen Support an.
Von Richard Lenz *
* Richard Lenz ist Field
Application Engineer bei
Silica/Schweiz.
D
ie E-Bike-Technologie gilt aufgrund
ihres hohen Marktanteils als Treiber
für alle anderen LV-E-Fahrzeuge (LV:
Low Voltage), wobei Low Voltage bei E-Bikes
maximal 50 V bedeutet. Die wichtigsten elektrischen Funktionsblöcke eines Standard-EBikes sind Antriebsmotor, Batterieladegerät,
Beleuchtung und Status-Display.
Für die Antriebssteuerung des Motors sind
folgende Funktionen nötig (siehe Grafik):
• ein Mikrocontroller, der die Ausgangsleistung basierend auf Signalen der Hall-Sensoren sowie Geschwindigkeit und Bremsstatus
berechnet,
• die Hauptstromversorgung und die aus der
24/48-V-Batteriespannung abgeleiteten 15
und 5 V (z.B. der Dual-LDO IFX21004),
• MOSFETs und Treiberstufe, um den Motor
mit Leistung zu versorgen (hierfür eignen sich
Infineons Optimos-ICs besonders gut),
• Hall-Sensoren (z.B. TLE4961-1M/L) zur Information der Rotorposition des Motors.
Für eine maximale Eingangsspannung von 60
V können ein DC/DC-Schaltregler wie der IFX80471SKV (für höchste Effizienz) oder eine
Linearspannungsregler mit zwei Ausgängen
wie der IFX21004N genutzt werden. Die ICs
erzeugen aus der Batteriespannung (36 oder
48 V) die Spannungen für den Mikrocontroller
(5 V) und den MOSFET-Treiber (12/15 V).
Um ein E-Bike robust zu machen, müssen
auch Fehlfunktionen in Betracht gezogen
werden. Solche Fehlfunktionen können mit
Infineons Spannungs-Tracker IFX-21401 abgedeckt werden. Er trennt im Kurzschluss-Fall
am Sensor die Stromversorgung des Sensors
von der des Mikrocontrollers und hält somit
die wichtigsten Steuerfunktionen weiter aufrecht.
Auf den MOSFET entfällt einen großer Anteil
der Materialkosten (Bill of Material) der Steuereinheit. Generell sind mindestens sechs
MOSFETs notwendig. Der Durchlasswiderstand (RDSon) eines MOSFETs ist einer der wichtigsten Parameter für den Wirkungsgrad des
Antriebsmotors. Die Optimos-Technologie
(Low-Voltage MOSFETs) von Infineon ermöglicht die niedrigsten RDSon-Werte, wobei die
Optimos-Bausteine in einer Vielzahl von Gehäusen zur Verfügung stehen. Optimos-Bausteine erlauben es außerdem, die statischen
Verluste auf ein Minimum zu reduzieren, und
sie eignen sich hervorragend für E-Bikes.
Das Batterie-Management-System (BMS) von
Infineon überwacht fortlaufend die Batterieladung und Entladung. Um die Batteriekapazität zu maximieren, sorgt das BMS für einen
Zellenausgleich. Dabei werden die Zellen auf
demselben Ladezustand gehalten, um zu verhindern, dass Zellen überladen oder unterladen werden.
Die wichtigsten Funktionsblöcke in einem Motorantrieb
26
Grafik: Infineon
Ein Kommunikationspfad zum Ladegerät, zu
den Last-, Wärme-Management- und Notabschalt-Subsystemen wird mithilfe der RS485Schnittstelle oder in High-End-Lösungen über
eine CAN-Schnittstelle realisiert, weil diese
sehr robust sind. Infineon bietet hierfür ICs
wie den IFX80471, eine Familie von CAN/LINTransceivern inkl. IFX1050G. (st)
■
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International Rectifier
Intelligente
High-Side-Leistungsschalter
Intelligente Leistungsschalter
(IPS: Intelligent Power Switches)
von International Rectifier bestehen aus einem Leistungs-MOSFET
mit niedrigem Leitungswiderstand sowie Schutz- und Steuerschaltungen, und das alles in
einem einzigen Gehäuse.
Von Carl Vincent *
D
amit sind IPS die robustesten, effizientesten und kompaktesten Bausteine für raue Umgebungsbedingungen.
Dank der integrierten Ladungspumpe sind sie
Logik-kompatibel, so dass sie einfach mit Mikrocontrollern verbunden werden können.
Auf den IPS sind diverse Schutzfunktionen
integriert, unter anderem gegen zu hohe Temperaturen, zu hohe Ströme, gegen Kurzschlüsse und abgewürgte Motoren. Die IPS-Bausteine wurden so ausgelegt, dass sie mit gewöhnlichen Überlastbedingungen sowie diversen
Sondersituationen, wie Masseverlust, Lastabfall und Verpolung, sicher umgehen können.
Sie verhindern Schaltfehler und zeichnen sich
durch die höchste Effizienz aus, ohne dass
zusätzliche Bausteine notwendig wären.
Überdimensionierungen, um auch selten auftretende Situationen handhaben zu können,
werden somit minimiert.
Der doppelte Pegelwandler, der den MOSFET
im High-Side-Switch (HSS) treibt, ist gegen
große Differenzen zwischen Logik- und Lastmasse und kurze Schaltzeiten immun. Eine
* Carl Vincent ist Field
Application Engineer
bei Silica/Frankreich
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interne Steuerung der Anstiegsgeschwindigkeit beim An-/Ausschalten und die Nutzung
einer rauscharmen Ladungspumpe führen zu
einem verbesserten EMV-Verhalten. Dank dieser Charakteristika eignen sich die High Side
IPS besonders gut dafür, Sicherungen zu ersetzen.
Die neue Familie von intelligenten Leistungsschalter, IPS70/71xx, umfasst fünf TerminalHigh-Side-Bausteine, die auf der neusten
proprietären Vertikaltechnologie von IR basieren. Diese P3 (Power Product Platform) genannte Technologie mit 75 V ist AECQ-100
qualifiziert. Die AUIR33XX und AUIPS60xxBausteine eignen sich wiederum für 40-VAnwendungen
Dank des integrierten Schutzes gegen zu hohe Temperaturen schalten die IPS-Bausteine
ab, sobald die Junction-Temperatur (Tj) 165
°C übersteigt. Um den Baustein neu zu starten, können zwei unterschiedliche Strategien
genutzt werden: Der Baustein startet automatisch neu, sobald Tj unter 158 °C gefallen
ist (IPS60XX und IPS70xx); der Baustein startet neu, sobald er das Signal dazu bekommen
hat (IR331X und IPS71XX). Die IPS können
also auch als Reset-fähige Sicherungen genutzt werden.
Die IPS-Bausteine sind auf zwei Arten gegen
zu hohe Ströme (von 3 bis 120 A typ) geschützt: durch einen Strom-Shutdown (IR331X und IPS71XX) oder eine Strombegrenzung (IPS60xx und IPS70xx). Im Falle eines
Strom-Shutdowns wird der Baustein abgeschaltet, sobald die Grenze für Isd (mithilfe
eines externen Widerstands einstellbar) überschritten wird. Im Falle der Strombegrenzung
ist der Strom, indem der MOSFET im Linearbereich betrieben wird, begrenzt und wird
solange aufrechterhalten bis der Schutz gegen Übertemperatur aktiviert ist. Im Falle eines zu hohen Stroms ist die Genauigkeit,
wann der Baustein abschaltet, deutlich besser
als bei konventionellen Sicherungen (keine
Temperaturabhängigkeit).
Die IPS-Bausteine sind mit Diagnosefunktionen ausgestattet. Eine digitale Diagnose
(IPS60XX und IPS70xx) oder eine Strommes-
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sung (IR331X und IPS71XX) liefert eine Statusrückmeldung über Kurzschlüsse, Übertemperatur und die Erkennung einer eventuell
fehlenden Last (open load detection). Der Entwickler hat die Möglichkeit, den Fehler sofort
zu erkennen und die richtige Aktion durchzuführen. Im Gegensatz zu Sicherungen ist es in
Applikationen mit Einschaltstromstößen
möglich, dem IPS-Bausteine eine genaue Reaktion vorzugeben.
Die IPS-Bausteine sind aber noch mit anderen
interessanten Funktionen ausgestattet: Eine
Erkennung von Masseverlust, um den Baustein zwingend abzuschalten und damit zu
verhindern, dass der Leistungs-MOSFET im
Linearmodus läuft und ein Verpolungsschutz,
bei der der MOSFET angeschaltet wird, um die
Verlustleistung bei Verpolung zu reduzieren.
Das »active clamping« ist ebenfalls in allen
IPS-Bausteinen integriert, weil beim Abschalten einer induktiven Last noch weitere Betrachtungen gemacht werden müssen. Mit
»Active clamping« lässt sich die Spannung
über dem MOSFET auf einen Wert unterhalb
der Durchbruchspannung der Body-Diode begrenzen, um die Verlustleistung beim Schalten des Bausteins zu reduzieren. Die DrainSource-Spannung (VDS) des MOSFETs wird
durch den Betrieb im Linearbereich gesteuert.
»Active clamping« ist das effektivste Mittel,
um die Energie, die in der Spule gespeichert
ist, zu verbrauchen.
Der Entwickler kommt in den Genuss aller
Möglichkeiten eines High-Side-IPS, wenn er
ihn als Kombination aus Sicherung und Halbleiterleistungsschalter nutzt.
Die Hauptvorteile von intelligenten Leistungsschaltern im Vergleich zu Polyswitch-Sicherungen noch einmal zusammengefasst: eine
geringere Temperaturabhängigkeit, eine bessere Handhabung von höheren Temperaturen,
schnellere Reaktion auf Kurzschlüsse, schaltbar, schnellerer Reset möglich und Strombegrenzung.
International Rectifier verfügt über ein großes
Portfolio an qualitativ hochwertigen und zuverlässigen High-Side IPS-Bausteinen, die
Sicherungen ersetzen können. (st)
■
27
Silica|Power-Experten Maxim Integrated
Hocheffiziente synchrone
Abwärtswandler
Mit den Max17501/Max17502Bausteinen von Maxim Integrated
lässt sich die Stromversorgung
einer Applikation auf kleinster
Leiterplattenfläche realisieren.
Die Bausteine können aber auch
als Konstantstromquelle für
LEDs genutzt werden.
Von Kévin Guehenneux *
* Kévin Guehenneux ist
Field Application Engineer
bei Silica/Frankreich
Überblick über die MAX17501/MAX17502-Bausteine
28
Die Bausteine
Die Vorteile
Der Max17501/ Max17502 ist ein DC/DCController mit weitem Eingangsbereich, der
auf einer synchronen Buck-Topologie basiert.
Die Komponenten stehen in einer 0,5-A- und
einer 1-A-Version mit einem festen Ausgangswert von 3,3 V oder 5 V oder einer einstellbaren Ausgangsspannung zur Verfügung.
Bei den Bausteinen ist es außerdem möglich,
zwischen einer Schaltfrequenz von 300 kHz
und 600 kHz zu wählen, für kleine Lasten gibt
es einen PFM-Modus, um den Wirkungsgrad
zu erhöhen. Alle Versionen sind Pin-kompatibel. Auf dem Chip sind diverse Funktionen wie
Soft-Start, Enable-Pin, UnterspannungsLockout und ein Power-Good-Ausgang implementiert. Es ist deshalb möglich, mehrere
Bausteine miteinander zu verbinden und damit einen Sequenzierer gleich mit zu realisieren.
Der Chip stellt zwei getrennte Masseanschlüsse zur Verfügung, einer für den Strom und
einer für kleine Signale. Dadurch ist ein Layout
möglich, bei dem klar zwischen Masseflächen
für hohe und niedrige Ströme unterschieden
werden kann, so dass die Regelgenauigkeit
verbessert wird. Dank der Topologie eines synchronen Abwärtswandlers mit internem MOS
wird viel weniger Platz benötigt. Hier hilft
auch die Tatsache, dass nur wenige externe
Komponenten notwendig sind.
Für die Version mit festem Ausgang sind nur
noch vier Kondensatoren und eine Spule für
den Betrieb notwendig. Damit kann der Entwickler eine Stromversorgung auf einer Fläche von 2 x 2 cm2 implementieren (aufgeteilt
auf das 3 x 2 mm2 große DFN-Gehäuse, die
vier SMD-Keramikkondensatoren und die
Kupferfläche für thermische Zwecke). Der
höchste Wirkungsgrad liegt bei über 90 Prozent.
Quelle: Maxim Integrated
Die Applikation
Dank des 60-V-Eingangs kann der Max17501/
Max17502 in Avionic- (28 V), Telecom- (48 V)
und industriellen (12/24 V) Applikation oder
als Nachregler in einer Wechselstromversorgung zum Einsatz kommen. Die Komponenten
können Eingangsimpulse von bis zu 70 V aushalten. Mit einem maximalen Strom von 500
mA /1 A kann der Abwärtswandler eine MCU
mit TFT-Display samt Backlight versorgen und
einige Relais treiben.
LED-Management
Den Max17501- oder Max17502-Baustein in
eine Buck-Konstantstromquelle für LEDs zu
verwandeln, ist einfach. Die Version mit einstellbarer Ausgangsspannung ist mit einer
Feedback-Referenzspannung von 0,9 V ausgestattet. Für einen höheren Wirkungsgrad
kann der Entwickler diese Spannung vielleicht
verringern wollen. Hierzu kann er den internen LDO-Ausgang von 5 V verwenden, um
darüber einen kleinen Strom-SpannungsOffset auf dem Feedback-Pin zu realisieren.
Damit kann der Entwickler eine LED-Referenzspannung von nur noch 100 mV generieren. Dazu sind nur drei Widerstände notwendig. Der erste zwischen LED und Masse, der
zweite zwischen LED und Feedback und der
Dritte zwischen Feedback und Vcc. Mit dieser
Anordnung kann der Entwickler einen DCOffset auf dem Feedback-Pin erreichen und
den LED-Strom absenken, was wegen der 0,9
V Schwellspannung notwendig ist. (st)
■
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ON Semiconductor
Mehr Möglichkeiten,
kleinerer Platzbedarf
ON Semiconductor (1999 aus
Motorola ausgegliedert) bietet
immer mehr differenzierte Produkte an, deren Entwicklung sich
an den Systemanforderungen der
Kunden orientiert. Speziell wenn
es um kleine Gehäuse geht, hat
ON Semiconductor die Nase vorn.
Das kommt vor allem der Automotive-Industrie zugute, denn
hier sind die Anforderungen
der elektrischen Applikation
umgekehrt proportional zur
Gehäusegröße und dem Preis
der Komponenten.
Von Uli Hoss *
L
ineare Spannungsregler werden gewöhnlich dazu verwendet, um höhere
Spannungen in niedrigere zu wandeln
(zum Beispiel um 5,0 V in 3 V zu wandeln).
Linearregler sind einfach in der Anwendung
und benötigen nicht viel Platz auf dem Applikations-Board. Sie zeichnen sich außerdem
dadurch aus, dass sie den Ripple auf dem
Eingangssignal gut ausfiltern können und
das Ausgangssignal durch kein zusätzliches
Rauschen verschlechtern.
Nachteilig ist, dass Linearregler sehr ineffizient sind. Der Spannungsabfall im Regler hat
zur Folge, dass viel Energie in Form von Hitze
vergeudet wird. Schaltregler sind im Vergleich
dazu viel energieeffizienter und reduzieren
somit die Wärmeentwicklung und die Energieverluste deutlich. Nachteilig dabei ist aber,
dass sie durch das Schalten das Ausgangssignal verrauschen können. Darüber hinaus sind
sie im Vergleich zu Linearreglern deutlich
komplizierter in der Anwendung, und sie benötigen zusätzlich eine Vielzahl von externen
Komponenten (zum Beispiel Spulen), was viel
Platz auf der Leiterplatte verbrauchen kann.
Die NCV8901xx/02xx-Familie umgeht das
Problem mit großen externen Spulen, denn die
Bausteine schalten mit hohen Frequenzen.
Damit sind auf der Leiterplatte nur sehr kleine
externe Spulen und Widerstände notwendig,
so dass sich die Gesamtkosten reduzieren lassen. Durch das Schalten mit hohen Frequenzen ist das Ausgangssignal auch weniger verrauscht. Somit erhalten die Entwickler, die die
NCV8901xx/02xx-Bausteine einsetzen, die
hohe Energieeffizienz von Schaltreglern, allerdings ohne dabei die Nachteile von Schaltreglern in Kauf nehmen zu müssen. Die Bausteine sind vollständig gemäß allen wichtigen
Automotive-Standards qualifiziert.
* Uli Hoss ist Field
Application Engineer
bei Silica, Deutschland.
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Die NCV890100/0101/0201-Familie von hochfrequenten Abwärtsreglern stellt somit die
beste Lösung für platzbeschränkte Automotive-Anwendungen dar. Die Bausteine sitzen in
kompakten Gehäusen. Doch nicht nur die Gehäuse sind klein, sondern dank der hohen
Schaltfrequenz (2 MHz) lässt sich zusätzlich
Platz auf der Leiterplatte einsparen. Darüber
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hinaus sind die Bausteine einstellbar, so dass
sie die perfekte Wahl darstellen, wenn Linearregler in Unter-2A-Stromversorgungen ersetzt werden sollen. Je nach gewünschter
Leistung stehen die Bausteine in einem DFN8oder einem DFN10-Gehäuse (3 x 3 mm) zur
Verfügung.
Typische Vertreter der Serie sind die NCV8901xx/02xx-Bausteine, die mit einer Schaltfrequenz von 2 MHz arbeiten. Damit liegt die
Frequenz, wie bereits erwähnt, oberhalb des
AM-Bands und vereinfacht damit das Design,
weil die Schaltfrequenz nicht dynamisch angepasst werden muss. Die hohe Schaltfrequenz ermöglicht kleinere Systemgrößen, weil
kleinere Spulen und Ausgangskondensatoren
für die gleiche Ausgangsleistung genutzt werden können. Hinzu kommt, dass die kleineren
Spulen billiger sind, wodurch die Gesamtkosten sinken. Allerdings muss hinzugefügt werden, dass die Effizienz mit hohen Schaltfrequenzen deutlich schlechter ausfällt als mit
niedrigen Frequenzen.
ON Semiconductor stellt dem Entwickler den
entsprechenden Support in Form von Simulationsmodellen (Transient/Small-Signal Pspice,
Transient/Small-signal VHDL-AMS Modell),
Berechnungstabellen und Demonstratoren
zur Verfügung. (st)
■
29
Silica|Power-Experten Microchip Technology
Das Design
digitaler Kompensatoren
Während die voll-digitale Regelung getakteter Leistungswandler (SMPS: Switch-Mode Power Supplies)
vor einigen Jahren nur sehr langsam Fuß
fasste und auf spezielle High-End-Anwendungen
beschränkt war, weitet sich diese Technologie
jetzt über alle Industriebereiche aus und nimmt
weiter Fahrt auf. Die mittlerweile erwiesenen
Vorteile bei Effizienz, Stabilität, Zuverlässigkeit
und Leistungsfähigkeit treffen auf breite Akzeptanz.
Microchip Technology bietet spezielle SMPS-Filter-Routinen an, die
über Strukturen konfiguriert und per Funktionsaufruf angewandt werden können. Einer dieser Filter ist der hier vorgestellte so genannte
3P2Z-Regler, der für Voltage Mode Control oder äußere Regleschleifen
in Current Mode Controllern eingesetzt wird. Hierbei handelt es sich
um die digitale Variante eines analogen Typ-III-Kompensators. Die
Übertragungsfunktion des Typ-III-Kompensationsnetzwerks (A) wurde
in die Zeit-Ebene transformiert, um die lineare Differenzgleichung des
digitalen Filters (B) zu erhalten.
(A) s-Ebenen-Gleichung der Übertragungsfunktion eines Typ-III-Kompensationsnetzwerks
Von Piero Mocca *
M
arkttreibende Faktoren sind hier vor allem verschärfte Anforderungen im Server- oder Automobilmarkt und neue
Marktsegmente wie Leistungswandler für die Elektrifizierung von Fahrzeugen.
Die Microchip dsPIC33 GS DSC Architektur
(B) Lineare Differenzgleichung der Übertragungsfunktion in der ZeitEbene
mit
Hierbei handelt es sich um einen 16-Bit-Controller mit integriertem
Festkomma-DSP-Kern und spezieller Peripherie. Die Mikrocontrollereinheit (MCU) ist mit zwei 40-Bit breiten Akkumulatoren ausgestattet,
in denen die benötigte Genauigkeit der Kompensationsfilter-Berechnung erreicht wird. Das PWM-Modul besteht aus einzelnen PWMGeneratoren mit eigenständigen Zeitbasen, die nach Belieben miteinander synchronisiert und in ihrer Phase verschoben werden können.
Die Zeitbasen unterstützen fest-frequenten wie auch resonanten und
quasi-resonanten Betrieb. Die Auflösung dieses Moduls liegt mit bis
zu 1 ns in einem Bereich, in dem Wandler mit bis zu 1 MHz Schaltfrequenz unterstützt werden können. Die Port-Steuerung des PWMModuls erlaubt zusätzliche Einstellungen von positiven und negativen
Totzeiten sowie die asynchrone Verarbeitung von externen TriggerSignalen. Müssen bestimmte, einstellbare Grenzwerte berücksichtigt
werden, stehen bis zu vier analoge Komparatoren mit 15 ns Propagation Delay und integriertem DAC zur Verfügung.
* Piero Mocca ist Field
Application Engineer
bei Silica/Italien
30
mit ux = Controller Ausgabe, ex = Messfehler
Ax = Filter-Koeffizienten, die mit Controller-Ausgaben multipliziert
werden,
Bx = Filter Koeffizienten, die mit Messfehlern multipliziert werden.
Ts repräsentiert die Messperiode. Die Omegas repräsentieren die Frequenzen der jeweiligen Pol- und Nullstellen des Kompensators. Nachdem die Messperiode bekannt ist, beschränkt sich bei diesem Controller alles auf die korrekte Platzierung von Pol- und Nullstellen. Wurden
diese an den Pol- und Nullstellen des Leistungsfilters ausgerichtet,
helfen einfache Werkzeuge wie Excel-basierende Arbeitsblätter dabei
die Koeffizienten zu berechnen.
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Platzierung von Pol- und Nullstellen
eines digitalen 3P2Z Reglers
Die Grafik zeigt vergleichend die Frequenzcharakteristik des Wandlers
in Open- und Closed-Loop Betrieb, sowie die Charakteristik des Kompensators. Verstärkung und Phasengang des Kompensators sind nun
so einzustellen, dass Verstärkung und Phase des Open-Loop Betriebs
auf die des Closed-Loop Betriebs angehoben bzw. abgesenkt werden.
Der Open-Loop Verstärkungs-/Phasengang des Leistungsfilters kann
aus der Übertragungsfunktion des Leistungsfilters abgeleitet werden.
Hierzu werden i.d.R. umfangreiche Werkzeuge wie MATHLAB und Simulink verwendet, um die Topologie mit allen relevanten parasitären
Effekten, Bauteiltoleranzen und in allen Betriebsmodi zu simulieren.
Solche Entwicklungswerkzeuge sind jedoch teuer und umfangreich und
erfordern Erfahrung und Routine in ihrer Anwendung. Vielen Designern
stehen diese daher nicht zur Verfügung. Im folgenden Abschnitt wird
deshalb eine Methode vorgestellt, die die Anwendung leistungsfähiger
Kompensationsfilter auch ohne komplexe Werkzeuge möglich macht.
Der im Folgenden verwendete Abwärtswandler unterstützt Eingangsspannungen von 6 bis 20 V und liefert eine konstante Ausgangsspannung von 3,3 V bei max. Ausgangsströmen von bis zu 8 A (L = 3,3 µH,
DCR = 28 mΩ, COUT = 220 µF/10 V, ESR = 40 mΩ, fSW = 330 kHz mit
zyklischer Regelung).
Legt man klassische Design-Regeln für diesen Wandlertyp zugrunde,
lassen sich mit recht einfachen Berechnungen die Frequenzen aller
Nullstellen sowie der zweiten und dritten Polstelle bestimmen. Die
erste Polstelle wird später manuell verschoben, um die Eigenschaften
des Wandlers einzustellen.
Zunächst wird die dritte Polstelle (Hochfrequenz- oder Nyquist-Polstelle) bei halber Regelfrequenz festgelegt.
Die zweite Polstelle wird an der sog. ESR-Frequenz platziert. Diese
errechnet sich aus Äquivalentwiderstand ESR und der Kapazität des
Ausgangskondensators.
Die beiden Nullstellen werden nahe der Resonanzfrequenz des Leistungsfilters platziert. Diese wird wie folgt berechnet:
Bei der Platzierung der Nullstellen nahe der Resonanzfrequenz kommt
nun die erste Daumenregel zum Einsatz. Das bedeutet, dass die Platzierung dieser beiden Nullstellen später Gegenstand der Optimierung
sein kann. Als Startwert wird die erste Nullstelle 15% unterhalb der
Resonanzfrequenz, die zweite ca. 10% oberhalb platziert.
Verbleibt nur noch die erste Polstelle. Diese ist ein wesentlicher TuningParameter und hat großen Einfluss auf die Verstärkung und damit auch
auf die Phasenreserve und somit die Stabilität des Wandlers. Um den
Wandler das erste Mal sicher zu starten, empfiehlt es sich, diese Polstelle bei ca. 1/10 bis 1/20 der Resonanzfrequenz zu setzen.
Nachdem nun alle Omegas bekannt sind, können die Koeffizienten
berechnet werden. Um diese Zahlenwerte nun im Q15 Festkomma-DSP
verarbeiten zu können, müssen diese vorher normalisiert werden. Bei
den gegebenen Zahlen reicht ein einfacher Bit-Shift um 1 nach rechts
aus, um die Zahlenwerte in den gewünschten Zahlenraum zu überführen. Dieser Schritt muss nach der Berechnung wieder rückgängig gemacht werden:
A1Q15 = 0,594567; A2Q15 = 0,088026; A3Q15 = –0,182593;
B0Q15 = 0,101488; B1Q15 = –0,080405; B2Q15 = –0,100409;
B3Q15 = 0,081484;
Eine einfache I2C-basierende Software-Anwendung bestimmt nun die
Start-Koeffizienten auf der Basis der wichtigsten Eck-Parameter der
Topologie wie oben beschrieben. Die Daten werden mit Hilfe des Microchip PICkit Serial Analyzer USB-2-I2C Interfaces in das Zielgerät
geladen. Das Messergebnis wird mit einem OMICRON LAB Bode 100
Netzwerkanalysator ermittelt. Als erstes Ergebnis erhalten wir einen
Plot eines bereits stabilen Wandlers mit 35 dB Verstärkung bei 50 Hz,
72 Grad Phasenreserve und –22 dB Verstärkungsreserve. Die erste Polstelle wird nun so lange verschoben, bis das gewünschte Verhalten
erzielt wird. Als allgemeines Ziel dieses Tuning-Prozesses sollte die
Steigung der Verstärkung unterhalb der Resonanzfrequenz bei –20 dB/
Dekade liegen und dabei eine Phasenreserve von mindestens 45 Grad
nicht unterschritten werden.
Resümee
Vergleich zwischen Plant, Kompensations- und Closed-Loop Plot
Quelle: Microchip
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Obwohl ein wissenschaftlicherer Ansatz unter Verwendung leistungsfähiger Werkzeuge wie MATHLAB zu bevorzugen ist, wenn in kurzer
Zeit ein optimales Ergebnis erzielt werden soll, bietet die manuelle
Einstellung dieser Regler doch die Möglichkeit, die Anforderungen der
meisten Anwendungen ohne großen Aufwand zu erfüllen. Multi-Pol-/
Multi-Nullstellen-Regler sind perfekt geeignet, Design-Kompromisse
für Performance, Stabilität und Rauschen in Minuten zu finden, und
beschleunigen so Entwicklungs- und Migrationsprozesse um kundenspezifische Anforderungen schnell und zuverlässig zu erfüllen. (st) ■
31
Silica|Power-Experten NXP Semiconductors
SMPS-ICs reduzieren
die Standby-Leistung und
erhöhen den Wirkungsgrad
Wenn es um Netzteile für Leistungen zwischen 5 und 10 W geht,
dann sind folgende Zielvorgaben
zu beachten: Sie müssen kleine
Abmessungen aufweisen und
sich durch einen erhöhten Wirkungsgrad und eine verringerte
Standby-Leistungsaufnahme
auszeichnen, und das alles zu
vernünftigen Kosten.
Von Andreas Schugens *
N
XP Semiconductors hat Lösungen, die
diesen Ansprüchen gerecht werden.
Und so sehen die Details aus:
Der TEA172x ist ein Low-Power SMPS-Controller aus der GreenChip-Familie von NXP
Semiconductors. Der Schaltnetz-Controller
ist mit einem 700-V-Hochvolt-MOSFET ausgestattet und kommt auf eine Leistung von
bis zu 11 W. Die Controller sind für Flyback(Sperrwandler), Buck- und Buck-BoostWandlertopologien optimiert. Dies führt zu
einem hohen Wirkungsgrad.
Die Bausteine starten direkt von der gleichgerichteten Netzspannung, ohne dass externe Bleeder-Schaltungen notwendig wären.
Die implementierte Soft-Start-Funktion reduziert den Einschaltstrom, und der integrierte Oszillator führt abermals zu reduzierten Materialkosten.
Die Schaltfrequenz unter Lastbedingung variiert zwischen 22 und 51,5 kHz, so dass hör-
bares Brummen vermieden wird. Die Abtastung der Ausgangsspannung erfolgt primärseitig mit einem Transformator, wodurch
stromverbrauchende Optokoppler und ShuntRegler auf der Sekundärseite überflüssig werden. Auch dies führt dazu, dass das Design
kosteneffektiver zu realisieren ist. Die implementierte Jitter-Funktion reduziert die elektromagnetische Störausstrahlung (EMI), und
die Architektur erfüllt die EMI-Spezifikationen
ohne externen Y-Kondensator.
Die fortschrittlichen Regelmodi für eine optimale Performance führen zu einem hohen
durchschnittlichen Wirkungsgrad von über 77
Prozent über den gesamten Lastbereich, wobei die Bausteine auch eine sehr niedrige Leistungsaufnahme zulassen, wenn keine Last
anliegt. Die Komponenten entsprechen den
Spezifikationen von USB Battery Charging
(CC/CV) und Energy Star 2.0 und eignen sich
somit hervorragend für Adapter, die im Standby-Modus eine Leistungsaufnahme von unter
10 mW aufweisen sollen.
Bild 1:
Ein Beispiel für einen grund­
legenden Applikationsaufbau
Quelle: NXP Semiconductors
* Andreas Schugens
ist Field Application
Engineer bei Silica/
Deutschland
32
Sonderheft Power Management Powered by
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Bild 2:
Überblick über die
verschiedenen Betriebs-Modi
CVB: Constant Voltage Burst
Mode mit Energiesparfunktion
CVC: Constant Voltage Mode
mit Stromregelung
CP: Constant Power
CVF: Constant Voltage Mode
mit Frequenzregelung
CCF: Constant Current Mode
mit Frequenzregelung
CCC: Constant Current Mode
mit Stromregelung
Quelle: NXP Semiconductors
Betriebs-Modi
Gehäuse und Prozess
Der Wandler arbeitet als geregelte Spannungsquelle im Bereich von keiner Last bis
zum maximalen Ausgangsstrom. Als Stromquelle liefert er den maximalen Strom über
einen großen Ausgangsspannungsbereich.
Bild 2 zeigt das Verhalten des Wandlers, wenn
die Last von Null ansteigt.
Die Derivate der TEA172x-Familie stehen im
Industriestandard-Gehäuse SO7 zur Verfügung, sie sind RoHS-konform und halogenfrei.
Zur Fertigung der Bausteine werden die hochdichten ABCD3- und EZ-HV-Prozesse von NXP
genutzt. Bei beiden Prozessen handelt es sich
um SOI-Prozesse (Silicon on Insulator), die
unter anderem auch für die Automotive-Industrie genutzt werden. Vorteilhaft an den
SOI-Prozessen sind die sehr schnellen Schutzschaltungen, die Unempfindlichkeit gegenüber Latch-up-Effekten, die geringere Temperaturabhängigkeit im Vergleich zu konventionellen Fertigungsprozessen und die geringen
internen Signalinterferenzen.
Implementierte Schutzvorkehrungen
Die in den Bausteinen implementierten
Schutzfunktionen variieren leicht von Derivat
zu Derivat, so dass Details besser aus dem
Datenblatt zu entnehmen sind. Aber hier ein
kurzer Überblick:
• Überspannungsschutz (OVP) mit automatischer Restart-Funktion
• Unterspannungs-Lockout (UVLO) und
Clamp-Protection
• Schutz gegen zu hohe Temperaturen (OTP)
• Die Soft-Start-Funktion reduziert den Spitzenstrom bei keiner und niedriger Ausgangsspannung
• Schutz gegen Entmagnetisierung für einen
garantierten diskontinuierlichen Betrieb im
Conduction Mode
• Schutz gegen offene Schaltungen und Kurzschluss am Feedback-Control-Pin (FB)
• Schutz gegen Kurzschluss am Lade-Ausgang
• Sicherer Neustart-Modus für den Fehlerzustand des Systems
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Spezifikationen zu verifizieren, kann er das
einfach tun, denn das NXP Flyback SMPS Design Tool unterstützt die TEA1721-, TEA1723-,
TEA1733- und TEA1738-Familien und bietet
einen schrittweise Anleitung.
Das Tool ist so aufgebaut, dass alle DesignParameter, Ergebnisse und Graphiken automatisch in ein Excel-Sheet für die Nachbearbeitung exportiert werden. Sobald das Design
abgeschlossen ist, erhält der Entwickler einen
Überblick, einschließlich der Zusammenfassung der berechneten Design-Parameter, eines Bildes zu den Vorschlägen der Transformatorwicklung, detaillierte Schaltpläne und
Kurvenverläufe. Applikationsberichte und das
Design-Tool sind unter http://www.nxp.com/
design-portal/TEA1733.html zu finden.
Design Tools und Demo-Boards
Zusammenfassung und Ausblick
Für die TEA172x-Familie stehen diverse Design-Tools zur Verfügung, einschließlich einer
ganzen Reihe von Demo-Boards für:
• 5 W isolierte Flyback-Stromversorgung mit
zwei Ausgängen (12 und 3,3 V)
• 2,5 W nicht-isolierte Buck-Boost-Stromversorgung mit einem Ausgang (12 oder –12 V)
• 2,5 W nicht-isolierte Buck-Stromversorgung
mit einem Ausgang (12 V)
• 5 W isolierte 3-Phasen-Flyback-Stromversorgung mit drei Ausgängen (24, 5 und 3,3 V)
Wenn ein Entwickler seine eigene Stromversorgung realisieren will, dann sind die Produkte von NXP eine exzellente Wahl. Für den
Leistungsbereich von 5 bis 10 W passt die
TEA172x-Serie, die hier kurz beschrieben wurde, am besten. Für höhere Leistungen eignen
sich die TEA1731- (mittlerer Leistungsbereich)
und die TEA1716-Bausteine (hoher Leistungsbereich). Die verfügbaren Tools und Dokumentationen helfen dem Entwickler dabei,
eine Stromversorgung so schnell und so einfach wie möglich zu realisieren und somit die
Welt der Stromversorgungen »grüner« zu machen. (st)
■
Wenn ein Entwickler bevorzugt, mit einem
Online-Design anzufangen, um seine eigenen
www.silica.com/power
33
Silica|Power-Experten Renesas Electronics
RJx60 Super Junction MOSFETs
Die Nachfrage nach geringeren Leistungsverlusten und höheren Schaltgeschwindigkeiten führt dazu,
dass eine neue Bausteintopologie in den Blickpunkt des Interesses rutscht:
die Superjunction-MOSFETs (SJ).
Von Andrea Cappa *
S
uperjunction-MOSFETs können sowohl einen sehr niedrigen Leitungswiderstand (RDSon) als auch Spannungstoleranzen von über 400 V erreichen.
Superjunction-MOSFETs werden mittlerweile
weitgehend als neuer Benchmark für diese
Klasse an Halbleiterschaltern in der Industrie
betrachtet.
Die Planar-Struktur von konventionellen Leistungs-MOSFETs erfordert einen Kompromiss
zwischen niedrigem Leitungswiderstand,
niedriger Gate-Ladung (QGD) und dem Hochvolt-Rating. SJ-MOSFETs werden typischerweise so produziert, dass auf einem N+-Substrat mehrere P-leitende Schichten innerhalb
eines schwach dotierten N-Materials aufgebracht werden. Mithilfe mehrerer EpitaxieSchritte wird Schicht für Schicht aufgewachsen, wodurch die gesamte Schichtdicke so
lange vergrößert wird, bis sie die geforderte
Spannungstoleranz erreicht.
Nachteilig daran ist, dass ein epitaktisches
Aufwachsen von Strukturen sehr langsam abläuft und auch noch kompliziert in der Fertigung ist, so dass es schwierig ist, die Produktivität zu erhöhen oder die Kosten zu senken.
Um diese inhärenten Probleme eines epitaktischen Aufwachsens von mehreren Schichten
zu umgehen, haben die Entwickler bei Renesas eine proprietäre Superjunction-Struktur
mit einer Deep-Trench-Technik entwickelt.
Diese Technologie beinhaltete geätzte Gräben
(Trenches) im schwach dotierten N-leitenden
Material, um die P-leitenden Regionen zu bilden (siehe Bild 1, rechts). Bei dieser Methode
werden die Masken hochgenau ausgerichtet
und Störstellen eingebracht, um den Produktionsprozess zu vereinfachen und somit den
Durchsatz zu erhöhen und die Kosten zu senken. Obendrein hat das erfolgreiche R&DProgramm um die Deep-Trench-Technik zu
einer Miniaturisierung der P-leitenden Schichten geführt.
Dieser Ansatz von Renesas hat nicht nur wirtschaftliche Vorteile, sondern damit ist es auch
möglich, einen extrem niedrigen Leitungswiderstand (RDSon) und verringerte interne Kapazitäten zu realisieren. Dadurch stellen die
SJ-MOSFETs von Renesas eine exzellente
Wahl speziell für Inverter-basierende Haushaltsgeräte dar.
Die RJx60-Leistungs-MOSFETs von Renesas
mit SJ-Stuktur basieren auf einer DeepTrench-Technologie und weisen ein Spannungs-Rating von 600 V auf. Sie zeichnen sich
durch den industrieweit geringsten Leitungswiderstand und höchste Schaltgeschwindigkeit aus. Die RJx60-Familie steht in zwei unterschiedlichen Serien zur Verfügung:
• Die RJK60Sx-Serie von Renesas eignet sich
hervorragend für sehr effiziente Stromversorgungen und bietet einen extrem niedrigen
RDSon und geringe Gate-Ladungen (QGD) mit
einem maximalen ID-Strom von bis zu 55 A
bei 25 °C.
• Die RJL60Sx-Serie von Renesas eignet sich
besonders gut für Motor- und Inverter-Anwendungen und bietet einen niedrigen RDSon
und eine Fast Recovery Body Diode (niedrige
Sperrerholungszeit tRR, niedrige Sperrladung
QRR). Die ICs gibt es heute mit max. ID-Strömen von 20 A @ 25 °C.
* Andrea Cappa ist Field
Application Engineer
bei Silica/Italien
34
Ein Beispiel aus dieser Familie ist der RJK605SDPK. Er kann eine Drain-Source-Spannung
(VDSS) von 600 V und einen andauernden
Drain-Strom (ID) von bis zu 20 A bei 25 °C
bzw. 1,26 A bei 100 °C aushalten. Der RDSon
ist mit 150 mOhm (typ. Wert bei ID = 10 A,
VDSS = 10 V) spezifiziert und liegt damit um
rund 52 Prozent unter dem Wert von konventionell strukturierten Bausteinen. Dadurch
können die Entwickler von Stromversorgungen Systeme realisieren, in denen die Energieverluste durch die Wandlung deutlich reduziert sind. Die Gate-Drain-Ladung (QGD) beträgt typischerweise nur 6 nC (@ ID = 10 A,
VDSS = 10 V), also rund 80 Prozent weniger
als bei konventionellen MOSFETs, wodurch
sich sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten erreichen lassen.
Um eine Aufrüstung bestehender Stromversorgungen zu erleichtern, haben die RJx60Power-SJ-MOSFETs die gleiche äußerliche
Form wie viele konventionelle Standard-Gehäuse (z.B. TO-3P, TO-247, TO-220). Sie weisen außerdem die standardmäßige Pin-Platzierung auf, so dass die Bausteine genau in
die Boards von bestehenden Schaltnetzteilen
passen. Dennoch fällt ihr Leitungswiderstand
pro Einheitsfläche im Vergleich zu den traditionellen Planar-MOSFETs von Renesas um 80
Prozent niedriger aus, wodurch für den gleichen Leitungswiderstand RDSon eine deutlich
kleinere Chipoberfläche notwendig ist. Das
wiederum führt dazu, dass ein Stromversorgungs-Design, das bisher ein TO-3P benötigt
hat, jetzt mit einem kleineren Gehäuse wie
z.B. einem TO-220FL realisiert werden kann.
Die Technologie-Roadmap von Renesas Electronics sieht zukünftige SJ-Leistungs-MOSFETs mit verschieden großem On-Resistance
sowie Bausteine mit Spannungen von bis zu
900 V vor. Um den Kunden möglichst viele
Design-Optionen zu eröffnen, plant Renesas,
seine Familie von Hochvolt-Leistungs-MOSFETs mit extrem niedrigem Leitungswiderstand mit diversen Serien mit insgesamt rund
100 verschiedenen Typen auszubauen. (st) ■
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STMicroelectronics
VIPER06 in einer nicht-isolierten
AC/DC-Buck-Konfiguration
Offline-Equipment wie Weiße
Ware, Smart Meter oder Leistungsmessgeräte ist typischerweise mit Elektronik ausgestattet,
die eine nicht-isolierte Gleichstromleistung von unter 5 bis 6 W
brauchen bzw. nutzen kann. Dank
neuer Anwendungen wie LEDs,
in denen die Isolation bereits
durch die Kapselung gegeben ist,
gewinnen nicht-isolierte BuckWandler durch niedrige Kosten
und einfaches Designs an
Popularität.
Von Fredrik Johansson *
* Fredrik Johansson ist
Field Application Engineer
bei Silica/Schweden
V
IPER06 von STMicroelectronics sind
AC/DC-Wandler mit einem 800-VMOSFET, die eine kostengünstige AC/
DC-Wandlung ermöglichen und dank des
800-V-MOSFETs auch noch deutlich robuster
sind.
gere Leistungsaufnahme im Standby-Modus
wurde eine Diode, Dvdd, am Ausgang des VddPins eingebaut. Der Vdd-Pin liefert den Ladestrom für den externen Kondensator während
des Anschaltens und wenn er über die interne
Stromversorgung läuft.
Der Buck-Wandler
Über den LIM-Pin kann die Drain-Strombegrenzung gesetzt werden. Wird zwischen den
LIM-Pin und der Masse ein externer Widerstand gelegt, lässt sich der Grenzwert reduzieren. Der Limit-Pin wird offen gelassen,
wenn die vorgegebene Drain-Stromgrenze
genutzt wird.
Dieser Applikationsbericht beschreibt eine
nicht-isolierte Abwärtswandlertopologie auf
Basis des VIPer06XS-Bausteins, der eine Ausgangsspannung von 12 V bei bis zu 100 mA
erzeugt. Die Ausgangsspannung kann durch
Änderung des R1-Widerstands, dem Widerstandsteiler am Ausgang und dem Kompensations-RC-Glied verändert werden.
Die Schaltung wird mit der 230-V-Netzspannung gespeist, kann aber auch mit 85 bis 265
V Wechselstrom oder 100 bis 375 V Gleichstrom laufen. Mit dem R0-Widerstand lassen
sich größere differentielle Einschaltstromstöße überstehen. Um den Anforderungen bezüglich der elektromagnetischen Interferenzen gerecht zu werden, bilden CIN1, L0 und
CIN2 ein Eingangs-Pi-Filter.
Der Drain des 800-V-MOSFETs und die integrierte Hochspannungs-Startup-Schaltung
sind mit einem der Drain-Pins verbunden. Sobald der Baustein läuft, ist er in der Lage, direkt mit der gleichgerichteten Netzspannung
ohne Hilfswicklung versorgt zu werden. Für
einen höheren Wirkungsgrad und eine niedri-
Eigenschaften von VIPER06
• 800-V-MOSFET mit hoher Avalanche-Festigkeit
• PWM-Schaltregler mit Frequenz-Jittering für geringe elektromagnetische Interferenzen
• Betriebsfrequenz: 30 kHz für VIPER06Xx; 60 kHz für VIPER06Lx, 115 kHz für VIPER06Hx
• Hilfswicklungen sind überflüssig
• die Leistungsaufnahme im Standby-Betrieb liegt unter 30 mW bei 265 V
• die Strombegrenzung ist einstellbar
• Soft-Start-Funktion
• sichere Auto-Restart-Funktion nach Erkennen eines Fehlers
• Übertemperaturschutz mit Hysterese
• geringer Ausgangs-Ripple dank PWM-Betrieb
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Der FB-Pin (Feedback-Pin) stellt den invertierenden Eingang des internen Transkonduktanz-Fehlerverstärkers dar. Wenn der Wandlerausgang mit diesem Pin über einen einzigen
Widerstand verbunden wird, führt dies zu einer Ausgangsspannung, die zur Verstärkerreferenzspannung oder 3,3 V gleich ist. Über den
externen Widerstandsteiler, R1 und R2, wird
die Ausgangsspannung festgelegt. Der CompPin stellt den Ausgang des TranskonduktanzVerstärkers dar. Das Kompensationsnetz muss
zwischen diesen Pin und Masse gesetzt werden, damit die Spannungsregelschleife eine
gute Stabilität und dynamisches Verhalten
erreicht. Der lineare Spannungsbereich reicht
von VCOMPL bis VCOMPH.
Nach dem Anschalten liefert der MOSFET
Energie in die Spule L. Sobald der VIPer06XS
abschaltet, fließt die in der Spule L gespeicherte Energie in die gleiche Richtung durch
die Diode D und lädt Cout und den Ausgang
auf. D2 lädt C4 und wird auf 3,3 V heruntergeteilt, die wiederum in den Feedback-Pin
gehen und den Ausgang geregelt halten.
Design-Tips
Nachdem die Theorie von Abwärtswandlern
gut bekannt ist, reicht es in den meisten Fällen aus, ein Design-Tool zu verwenden. Das
eDesignSuite-Tool von STMicroelectronics erzeugt die Schaltpläne, basierend auf den Spezifikationen zum Tastverhältnis, zur Phasenreserve sowie zum Wirkungsgrad und berechnet die Verluste. (st)
■
39
Silica|Power-Experten Texas Instruments
DC/DC-Wandler
der SIMPLE SWITCHER Familie
Mit den SIMPLE-SWITCHER-PowerManagement-ICs von Texas
Instruments stehen PowerModule zur Verfügung, die ein
besonders einfaches Design
ermöglichen. Das gilt vor allem
dann, wenn das Projekt zeitkritisch ist, wenn es sich um
störempfindliches Equipment
handelt, wenn wenig Platz zur
Verfügung steht, wenn hohe
thermische Ansprüche zu
erfüllen sind oder wenn der
Designer kein Spezialist für
Stromversorgungen ist.
Von Sergio Biancifiori *
* Sergio Biancifiori ist
Field Application Engineer
bei Silica/Italien
D
ie LMZ-Familie von Abwärtswandlern
basieren alle auf der gemeinsamen
Idee, den Regler und die Induktivität
in ein Gehäuse zu setzen, so dass nur noch
ein Minimum an externen Komponenten (typischerweise nur noch die Kondensatoren
und der Feedback-Widerstand) notwendig
ist.
Die wichtigsten Eigenschaften und Vorteile
der LMZ-Module sehen so aus:
• geringer Ausgangs-Ripple und geringe elektromagnetische Interferenzen;
• einfach zu verarbeitendes Gehäuse;
• hoher Wirkungsgrad;
• einfacher Design-Prozess, auch dank der
verfügbaren WEBENCH-Tools.
Darüber hinaus müssen weniger Bauteile beschafft, vorgehalten und montiert werden –
ein positiver Nebeneffekt. Die Schaltstufe
basiert auf einer Halbbrücke mit zwei MOSFETs, um die Stromdichte und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Die LMZ-Produktpalette
umfasst verschiedene Unterfamilien mit verschiedenen Strom- oder Spannungs-Ratings
und Gehäusen. Neben diesen klaren Unterscheidungskriterien sind die Bausteine aber
auch intern durch andere Funktionen charakterisiert, wodurch sie sich für eine Reihe von
Anwendungen eignen. Im Folgenden werden
einige dieser Funktionen beschrieben.
Überblick über die Simple Switcher Module
Quelle: Texas Instruments
Schaut man sich die Module von innen an,
besteht der größte Unterschied in der Halbbrücken-Stufe: Die Module mit niedrigen Eingangsspannungen (5,5 V) nutzen einen PKanal-MOSFET auf der High-Side und einen
N-Kanal-MOSFET als synchronen MOSFET.
Diese Anordnung vereinfacht die DC/DC-Treiberstufe, macht eine Bootstrap-Schaltung
zum Treiben des High-Side-MOSFETs überflüssig und ermöglicht ein Tastverhältnis von
100 Prozent. Module für höhere Spannungen
nutzen in beiden Fällen einen N-Kanal-MOSFET, denn damit sind geringere Leitungsverluste und eine kleinere Die-Größe möglich.
Mit Ausnahme der »Nano-Module« (LMZ10500/LMZ10501) enthalten alle anderen
LMZ-Module einen Eingangskondensator
zwischen Vin und Masse. Dieser dient der Verbesserung der elektromagnetischen Abstrahlung durch Verkleinerung der kritischen
Schleife zwischen Eingangskondensator und
Low-Side-Mosfet, wobei natürlich zusätzliche Eingangsfilterkondensatoren notwendig
sind, um mit dem Eingangs-Ripple-Strom in
der Applikation besser umgehen zu können.
Bei den LMZ10500/01 wird die Ausgangsspannung mithilfe eines Spannungsteilers am
VCON-Pin eingestellt. Der Pin kann auch extern über einen D/A-Wandler getrieben werden, um die Ausgangsspannung dynamisch zu
skalieren. Die Ausgangsspannung ergibt sich
aus VOUT = 2,5 x VCON, wobei 2,5 der internen Verstärkung entspricht.
Das LMZ1-Portfolio zeichnet sich durch einige Standardfähigkeiten aus, wie Precision
enable, Sanftanlauf und höhere Ausgangsspannung (> 6 V) für H-Versionen. Ein Vorteil
von Precision enable besteht in seiner Verwendung als Power-Sequencing-Eingang:
mithilfe eines einfachen Spannungsteilers
kann eine andere Spannungsquelle den Regler
einschalten; das Modul wird nur angeschaltet,
wenn die Spannung am Enable-Pin die interne Schwellspannung erreicht hat.
Die zweite Serie (LMZ2) ist zusätzlich mit einer Frequenzsynchronisation und einer Fähigkeit der Parallelschaltung (Versionen mit höheren Strömen von 8 und 10 A) ausgestattet.
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Die Frequenzsynchronisation ermöglicht Anwendungen, in denen mehrere DC/DC-Wandler mit derselben Frequenz betrieben werden,
was die Ausgangswelligkeit verringert; der
externe Synchronisationstakt kann für alle
Module phasengleich sein, oder phasenverschoben, um den Stress auf die Eingangs- und
Ausgangskondensatoren zu reduzieren. Wenn
der benötigte Laststrom über dem Rating eines einzelnen Moduls liegt, können die Bausteine einfach parallel geschaltet werden.
Dazu werden die SH-Pins von allen Modulen
zusammengeführt. Ein Modul sollte als Master konfiguriert werden, indem sein FeedbackPin ganz normal verbunden wird. Alle anderen
Module sollten als Slave konfiguriert werden,
indem ihre jeweiligen FB-Pins massefrei bleiben. Mehr Informationen zur Parallelschaltung sind in der Applikationsbeschreibung
AN-2093 zu finden.
Texas Instruments hat in seinen LMZ-Modulen verschiedene Regelverhalten realisiert. Die
Nano-Module LMZ10500/01 nutzen eine
Current-Mode-Architektur mit fester Frequenz (2 MHz), so dass dank kleiner Induktivität die Modulgröße klein ausfällt.
Die LMZ-Module können auch in einer BuckBoost-Topologie konfiguriert werden, um aus
einer positiven Spannung eine geregelte negative Spannung zu erhalten. Der Vout-Anschluss muss mit Masse verbunden werden.
In dieser Inverter-Konfiguration fällt allerdings der maximale Ausgangsstrom, der aus
den Modulen zu bekommen ist, im Vergleich
zu einer konventionellen Buck-Konfiguration
niedriger aus. Die maximale positive Eingangsspannung in der invertierenden Anwendung ist durch die Amplitude der Ausgangsspannung reduziert; folglich beträgt die ma-
ximale Eingangsspannung für eine –5V-Ausgangsspannung 37 V.
Mit der gesamten LMZ-Familie kann solch
eine Konfiguration realisiert werden, solange
die Grenzen für die Eingangsspannung und
den Ausgangsstrom beachtet werden. In der
invertierenden Konfiguration fällt der Wirkungsgrad allerdings ebenfalls geringer aus,
so dass höhere Verluste bei einer gegebenen
Ausgangsleistung auftreten. In der Applikations-Note AN-2027 sind weitere Details enthalten.
Die LMZ-Module sind dank der cleveren Kombination von Eigenschaften immer erfolgreicher. Texas Instruments erweitert das Produktspektrum weiter, um noch mehr Applikationsanforderungen abdecken zu können und
die Leistung zu verbessern. (st)
■
ROHM Semiconductor
SiC ermöglicht
viel höhere Wirkungsgrade
Obwohl SiC bereits Anfang des
19. Jahrhunderts entdeckt wurde,
wird die Technologie erst seit
zirka 25 Jahren kommerziell
genutzt. Mittlerweile stehen von
ROHM Semiconductor diverse
SiC-Produkte zur Verfügung.
Von Manfred Feske *
* Manfred Feske ist Field
Application Engineer bei
Silica/Deutschland
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R
OHM hat mit der Serienfertigung von
1200V/180A-SiC-MOS-Modulen begonnen, die für Inverter/Wandler in
industriellen und Photovoltaik-Systemen und
Ähnlichem zum Einsatz kommen. Die Produkte sind die ersten Module, in denen ein Leistungshalbleiter nur aus SiC-MOSFETs enthalten ist. Damit wurden ein Strom-Rating von
180 A erreicht und die Anwendungsvielfalt
erhöht, während gleichzeitig eine geringere
Leistungsaufnahme und eine größere Kompaktheit ermöglicht wurden.
Wenn man sich die SiC-Halbleitertechnologie
genauer ansieht, zeigt sich ihr enormes Potenzial in Leistungselektronikanwendungen.
Verglichen mit konventionellen Siliziumbausteinen, weisen die SiC-Bausteine deutliche
bessere Werte bei einer Reihe von wichtigen
Parametern wie der Durchbruchspannung, der
Bandlückengröße und der Wärmeleitfähigkeit
auf. Die größere Bandlücke von SiC lässt erwarten, dass SiC-Bausteine hervorragende
Leistungswerte aufweisen. Die größere Durchbruchfeldstärke macht es möglich, SiC-Leistungshalbleiter mit dünneren und stärker
dotierten Sperrschichten zu realisieren. Diese
stärker dotierten Sperrschichten (um einen
www.silica.com/power
Faktor 10 höher als bei konventionellen SiBausteinen) ermöglichen dank der erhöhten
Anzahl von Majoritätsladungsträgern einen
geringeren Widerstand. Zusammen mit der
geringeren Dicke der Sperrschichten (nur 1/10
der Dicke von konventionellen Si-Bausteinen)
kann bei SiC-Bausteinen ein spezifischer Widerstand realisiert werden, der nur noch ein
Hundertstel eines Si-Bausteins ausmacht. In
Kombination mit der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit (besser als von Silber) dürften die
SiC-Leistungshalbleiter deutlich bessere Leistungsparameter als konventionelle SiliziumLeistungshalbleiter aufweisen. Darüber hinaus
sind die Leistungsparameter von SiC-Bausteinen auch noch deutlich weniger temperaturabhängig, als das bei Si-Bausteinen der Fall
ist (die thermische Leitfähigkeit von SiC sinkt
um 35 Prozent, wenn die Temperatur von 300
auf 400 K steigt, bei Silizium verändert sich
der Wert um 65 Prozent).
»Die Zeit ist reif für SiC«
Obwohl die ersten kommerziellen SiC-SBDs
bereits 2001 verfügbar waren, war die Akzeptanz im Markt bis vor kurzem noch sehr ge-
41
Silica|Power-Experten tensenkung in der Fertigung von SiC-Bausteinen deutlich beschleunigen.«
SiC-MOSFETs kontra SiC-JFETs
Vergleich der Temperaturabhängigkeit von SiC-SBD
und Si-FRD (Fast Recovery Dioden)
Quelle: ROHM Semiconductor
ring. Dass das Interesse und die Akzeptanz
heute deutlich zugenommen haben, ist vorwiegend auf folgende Gründe zurückzuführen: gesunkene Produktionskosten; die Verfügbarkeit von SiC-Transistoren; ein größeres
Herstellerspektrum; der generelle Trend hin zu
»grüner Energie« und insbesondere die Forderung nach einer Energiewandlung mit hohem
Wirkungsgrad, was wiederum durch neue Gesetze und eine Nachfrage im Markt getrieben
ist; neue Anwendungen wie Elektrofahrzeuge
(EV) und die dazugehörigen Ladestationen.
Yole Developpement hat in seinem Report
»SiC 2010« den Umstieg auf 4-Zoll-SiC-Wafer als Meilenstein bezeichnet, der den Weg
zu reduzierten Kosten geöffnet hat. In diesem Report ist zu lesen: »Der gesamte SiCSubstratmarkt betrug 2008 rund 48 Mio.
Dollar. Wir gehen davon aus, dass er innerhalb von einer Dekade 300 Mio. Dollar übersteigen wird.« Der bevorstehende Umstieg
auf 6-Zoll-Wafer soll hierbei eine wichtige
Rolle spielen, da sich damit die Kosten abermals senken lassen und das Marktwachstum
vorantreiben lässt. Gemäß dem Report »wird
die Nutzung von 150-mm-Wafern die Kos-
Leistungsvergleich
zwischen SiC und Si
Quelle:
ROHM Semiconductor
42
SiC-JFETs stellen in Hinblick auf die Bausteincharakterisierung derzeit die am weitesten ausgereifte Technologie unter allen
SiC-Bausteinen dar. Die bekannten Komponenten erreichen sehr hohe dv/dt- und di/
dt-Werte, ohne ein »parasitäres Klingeln« in
Kauf nehmen zu müssen. Aber diese Bausteine sind typischerweise leitend, wodurch sie
sich in Applikationen mit geregeltem Fehlerverhalten schlecht einsetzen lassen. Hinzu
kommt, dass spezielle Treiberschaltungen
notwendig sind.
SiC-MOSFETs weisen vergleichbare Parameter
auf, aber sie sind typischerweise nicht-leitend,
wodurch die eben erwähnten Sicherheitsprobleme hinfällig sind.
Das SiC-Produktspektrum
von ROHM Semiconductor
ROHM Semiconductor bietet mittlerweile seine zweite Generation an SiC-Planar-MOSFETs
mit Sperrspannungen von 1200 V an. Geringe
Schaltverluste sind einer der wichtigen Vorteile dieser Bausteine. ROHM entwickelt bereits an der nächsten Generation von SiCTrench-MOSFETs. Sie werden nicht nur verringerte Schaltverluste (kein Schweifstrom),
sondern auch niedrigere Leitungsverluste aufweisen. Das kommerziell verfügbare Produkt
SCT2080KEC ist für 1200 V und einen kontinuierlichen Drain-Strom von bis zu 35 A ausgelegt. In den SCH2080KE-Komponenten ist
zusätzlich eine SiC-Schottky-Barriere-Diode
(SiC-SBD) mit ins Gehäuse gepackt.
Für höhere Stromdichten bietet ROHM Semiconductor SiC-MOSFETs in Form von Modulen
als Halbbrücke an. Die zwei SiC-MOSFETs sind
für 1200 V und einen maximalen kontinuierlichen Drain-Strom von 120 A ausgelegt. Im
BSM120D12P1C005-Modul wiederum sitzen
die beiden Transistoren und die SiC-SBDs in
einem Gehäuse.
Silizium-SBDs sind für eine maximale Durchbruchspannung von 200 V ausgelegt. Die Physik des metallischen Siliziumkontakts bestimmt diese Grenze. SiC-SBDs bieten sehr
hohe Schaltgeschwindigkeiten bei kaum auftretenden Sperrverzögerungsverlusten. Hinzu
kommt, dass die Schaltverluste von SiC-SBDs
deutlich kleiner als bei Si-FRDs (Fast Recovery Diode) ausfallen. Tests haben gezeigt, dass
sich der Wirkungsgrad mit SiC-SBD im Vergleich zu Fast-Recovery-Dioden um mehr als
2 Prozent steigern lässt.
Zusätzlich dazu zeichnen sich SiC-SBDs wie
die Si-SBDs durch einen sehr niedrigen Spannungsabfall in Durchlassrichtung aus, allerdings kombiniert mit einer unerreichten Temperaturstabilität. ROHM Semiconductor bietet
SiC-SBDs mit einer Sperrspannung bis 1200
V und Durchlassströmen bis 40 A an.
Zielapplikationen für die SiC-Produkte
Schaltnetzteile mit Ausgangsleistungen von
über 300 W und für einen CCM-Betrieb (Continuous Conduction Mode) nutzen typischerweise Aufwärtswandler mit aktiver Leistungsfaktorkorrektur. Wird eine SiC-Diode anstatt
einer Si-Diode eingesetzt, dann hat dies den
einen entscheidenden Vorteil: ein deutlich
geringerer Sperrverzögerungsstrom. Das wiederum führt dazu, dass die Schaltverluste um
fast 60 Prozent reduziert sind und damit zur
Senkung der elektromagnetischen Interferenzen nur noch eine deutlich einfachere Snubber-Schaltung oder sogar gar keine SnubberSchaltung notwendig ist. Außerdem muss der
Schalttransistor nicht mehr angepasst werden, um den hohen Sperrstrom der Siliziumdiode zu berücksichtigen. Das heißt, dass ein
für niedrigere Ströme ausgelegter und damit
kostengünstigerer Transistor verwendet werden kann. Mit geringeren Verlusten können
auch die Kühlungssysteme kleiner ausfallen.
Kleinere Schaltverluste erlauben aber auch,
die Schaltungen mit höheren Frequenzen laufen zu lassen. Dadurch können die Entwickler
den Wirkungsgrad zusätzlich erhöhen und/
oder die Größe der Drosselspule reduzieren –
das spart sowohl Kosten als auch Leiterplattenfläche. (st)
■
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Silica|AC/DC-Wandler Diodes
Super Barrier Rectifiers
verbessern die Zuverlässigkeit
von AC/DC-Wandlern
Der steigende Bedarf an portablen Geräten führt dazu, dass sich
die Hersteller von AC/DC-Wandlern darauf konzentrieren, die
Größe, den Wirkungsgrad und die
Zuverlässigkeit ihrer Produkte zu
verbessern, und das Ganze noch
mit einer langen Produktlebenszeit zu kombinieren.
gesetzt, um den Wirkungsgrad von Stromversorgungen
im höheren Leistungs- und
Temperatur-Bereich zu verbessern. Der SBR ist die erste
Wahl zur Verbesserung der
Zuverlässigkeit von AC/DCWandlern, da er als Gleichrichter die niedrige Vorwärtsspannung einer SchottkyDiode mit den niedrigen
Leckströmen und der Stabilität einer PN-Diode kombiniert.
Von Colin Davies *
D
ie Strom- und Wärmedichte (Erwärmung) sind in Folge dessen beim
Gleichrichter in den Mittelpunkt der
Betrachtungen gerückt. Schaltungen sind
typischerweise Umgebungstemperaturen bis
125 °C ausgesetzt, was den Entwickler vor
erhebliche technische Herausforderungen
stellt. Der Ausfall von AC/DC-Wandlern ist
sehr häufig auf den Gleichrichter zurückzuführen, so dass grundlegende Änderungen
notwendig sind, wenn die Zuverlässigkeit des
Gesamtsystems verbessert werden soll.
Schottky- und PN-Dioden
Bisher stellten Schottky-Dioden und PN-Dioden (»FREDs«, Fast Recovery Dioden) die beiden einzigen Optionen für den Entwickler von
Stromversorgungen dar. Beide Typen haben
ihre Stärken, leider aber auch erhebliche
Schwächen. Die Schottky-Dioden zeichnen
sich durch eine niedrige Vorwärtsspannung
(Vf) aus, reagieren aber aufgrund ihrer hohen
Leckströme bei hohen Temperaturen sehr
empfindlich auf Temperaturänderungen. Deshalb sind die Entwickler oft gezwungen, sich
nach Alternativen umzusehen, und kommen
so auf die PN-Diode. Sie weist im Vergleich
zur Schottky-Diode bei höheren Temperaturen deutlich niedrigere Leckströme auf, dafür
ist aber die Vorwärtsspannung wesentlich höher als bei Schottky-Dioden. Dies wiederum
führt zu einem niedrigeren Wirkungsgrad der
Stromversorgung.
Vereinfacht kann man also sagen: Der Ersatz
einer Schottky-Diode durch eine PN-Diode
vermindert zwar das Risiko eines thermischen
Durchgehens (thermal runaway), verringert
dafür aber den Wirkungsgrad – also keine gute Alternative für die Entwickler von Stromversorgungen.
Super Barrier Rectifier
* Colin Davies ist
weltweiter Applications
Manager von Diodes
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Die Super Barrier Rectifier (SBR) von Diodes
sind in Wirklichkeit nichts Neues, sondern
werden schon seit einiger Zeit erfolgreich einwww.silica.com/power
Die Struktur eines SBR ist
ähnlich der eines MOSFETs
mit verkürztem Gate und besteht insgesamt
aus tausenden von einzelnen Zellen, die ein
Netz paralleler Gate-Kanäle bilden. Diese
Struktur umfasst ein dünnes Gate, welches
einen invertierten NMOS-Kanal direkt unter
der Zelle bildet. Im Vorwärtsbetrieb kann ein
starker Elektronenfluss mit reduzierten Leitungsverlusten durch den schwach invertierten N-Kanal fließen. Die Leitungsverluste einer SBR-Diode sind dadurch deutlich geringer
als bei einer Standarddiode mit PN-Übergang.
Sobald die angelegte Spannung einige hundert mV erreicht hat, ergibt sich im Sperrbetrieb durch die überlappenden Bereiche im
Verarmungsgebiete eine Abschnürung (pinchoff). Mit steigender Rückwärtsspannung ändert sich aber der Leckstrom deutlich langsamer und zeigt bis zum Erreichen der Durchbruchspannung einen flachen Verlauf. Dies
bedeutet in Summe, dass eine SBR-Diode
nicht die Nachteile einer Schottky-Diode besitzt.
Dieses Verhalten führt zu einem höheren Wirkungsgrad und einer geringeren Erwärmung.
Das Endergebnis ist eine erhöhte Zuverlässigkeit der Stromversorgung in heutigen Designs
für hohe Leistungen und unter hohen Temperaturen. (st)
■
43
Silica|AC/DC-Wandler NXP Semiconductors
Hocheffiziente Leistungsund Beleuchtungs-ICs
sowie zweiphasige PowerMOS
Mit dem Ziel, die Energieeffizienz zu verbessern, stellt die GreenChip-Technologie von NXP Semiconductors
das Herz der kostengünstigen, hocheffizienten Power- und Beleuchtungs-ICs dar. NXP bietet
ein umfassendes Sortiment an Schaltreglern, die dem Endkunden hohe Effizienz, äußerst geringen
Leerlauf-Stromverbrauch, einen hohen Leistungsfaktor, eine lange Lebensdauer, Robustheit und
einen kleinen Flächenbedarf auf der Platine bieten.
D
ie Schaltregler eignen sich für viele
Anwendungen, beginnend bei Stromversorgungen für kleine und große
Geräte bis hin zu Kommunikationsmodulen,
Audioverstärkern, medizinischen und Consumer-Geräten, Adaptern und Ladegeräten.
Für Netzteile bis zu 11 W ist die FlybackWandler IC-Familie TEA172x mit den Modellen TEA1721 (bis 5 W) und TEA1723 (bis 11 W)
die jeweils richtige Wahl. Beide beinhalten
einen 700-V-MOSFET und gestatten dank des
implementierten Regelverhaltens einen hohen Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich. Unterschiedliche Burstfrequenzen
von 420 Hz (AT) bis 1850 Hz (FT) ermöglichen
eine extrem geringe Leerlaufleistung von unter 10 mW bzw. unter 25 mW. Durch die auf
der Primärseite geregelte Ausgangsspannung
ist kein Optokoppler mehr erforderlich. Dank
einer variablen Schaltfrequenz von über 22
kHz wird vernehmbares Rauschen in allen Betriebsarten vermieden, das Maximum von
51,5 kHz stellt niedrige Schaltverluste sicher.
Übersicht über die Leistungs-MOSFETs von NXP Semiconductors
Quelle: NXP Semiconductors
44
Für Netzteile bis 75 W bietet NXP die IC-Familie TEA173x; die TEA1731-, TEA1733- und
TEA1738-Bausteine zeichnen sich durch verbesserte Frequenzverläufe gegenüber der
Ausgangsleistung aus, um den Wirkungsgrad
über den gesamten Lastbereich zu optimieren.
Dank der kostengünstigen und äußerst kompakten TSOP6-Gehäuse ist der im Spitzenstrom- und Frequenzregelmodus arbeitende
TEA1731TS der gängigste Typ.
Für Leistungen bis 250 W stehen der GreenChip III DCM/QR-mode PFC und Flyback Combo-IC TEA1755 zur Verfügung. Die extra implementierten »Green«-Funktionen ermöglichen einen hohen Wirkungsgrad auf allen
Leistungsniveaus. Bei hohen Leistungen arbeitet der Flyback im QR- bzw. DCM-Modus
mit Valley-Detection-Funktion. Bei mittleren
Leistungen schaltet der Flyback-Controller in
den FR-Modus (FR: Frequency Reduction) und
begrenzt den Spitzenstrom auf einen einstellbaren Minimalwert. Im Low-Power-Modus
schaltet die PFC ab, um den hohen Wirkungsgrad zu bewahren. Bei sehr
niedrigen Leistungen, wenn
die Flyback-Schaltfrequenz
unter 25 kHz fällt, schaltet
der Flyback-Wandler in den
Burstmodus. Das Valley
Switching wird in allen Betriebsarten genutzt. Der advanced Burstmodus stellt
einen hohen Wirkungsgrad
bei niedriger Leistung und
eine gute Standby-Versorgung sicher, bei gleichzeitiger Minimierung der vernehmbaren Trafo-Geräusche.
Der NXP TEA1716 integriert eine PFC und einen Halbbrücken-Wandler (HBC) in einem
kompakten SO24-Gehäuse. Er übernimmt die
Treiberfunktion für den diskreten MOSFET in
einem Aufwärtswandler und für zwei diskrete
Leistungs-MOSFETs in einer Resonanz-Halbbrückenkonfiguration. Der effiziente Betrieb
der PFC wird durch die Implementierung von
Funktionen wie dem quasi-resonanten Betrieb bei hohen Leistungen und dem quasiresonanten Betrieb mit Valley-Skipping bei
niedrigen Leistungen erreicht.
Der HBC-Teil ist ein Hochspannungs-Controller für das Zero Voltage Switching (spannungsloses Schalten) der MOSFETs, was auch
als Soft-Switching bezeichnet wird. Daher ist
eine kurze Zeit zwischen den Anschaltzeiten
der High-Side- und Low-Side-MOSFETS erforderlich. Während dieser Zeit lädt bzw. entlädt der primäre Resonanzstrom die Kapazität
der Halbbrücke zwischen Masse und Verstärkungsspannung. Nach dem Entladen/Laden
beginnt die Body-Diode des MOSFETs zu leiten. Da die Spannung über dem MOSFET 0 ist,
entstehen keine Schaltverluste, wenn der
MOSFET eingeschaltet wird. Diese Betriebsart
entspricht einem induktiven Modus, weil die
Schaltfrequenz über der Resonanzfrequenz
liegt und der Resonanzkörper einen induktiven Widerstand aufweist.
Das IC schaltet idealerweise den MOSFET ein,
sobald der HB-Übergang abgeschlossen ist.
Wartet er länger, kann die HB-Spannung insbesondere bei hohen Ausgangslasten zurückschwingen. Die eingebaute Steuerung für die
Nicht-Überlappungszeit zwischen den MOSFETs übernimmt das Timing, sodass eine festgelegte Totzeit nicht erforderlich ist und somit
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weniger Bauteile nötig sind. Die adaptive
Nicht-Überlappungszeitserfassung misst die
HB-Steilheit, nachdem ein MOSFET abgeschaltet wurde. Durch den Burstmodus und
die Power-Management-Funktionalität kann
die ErP-Richtlinie (Energy using Product) Los
6 (unter 0,5 W bei 250 mW Last) erfüllt werden.
Es besteht ein klarer, sich Jahr für Jahr fortsetzender Trend zu höheren Wirkungsgraden,
der Netzteile immer kleiner werden lässt. Die
Synchronous Rectification Controller von NXP
eignen sich bestens, um den Wirkungsgrad
von Netzteilen mit DMC-Modus und FlybackWandlern zu steigern. SR in einem Netzteil ist
eine Technik, um den Wirkungsgrad der
Gleichrichtung zu verbessern, indem die
(Schottky-)Dioden durch einen aktiv gesteuerten Schalter ersetzt werden. Der Spannungsabfall einer Standard-(Schottky-)Diode
ist üblicherweise zu hoch und kann zu beträchtlichen Leistungsverlusten führen. Diese
Verluste in der Gleichrichterdiode lassen sich
deutlich verringern, wenn diese durch einen
Schalter ersetzt wird (in den meisten Fällen
ein MOSFET). Der Leitungswiderstand (RDSon)
des Schalters lässt sich so auswählen, dass er
der erforderlichen Leistung entspricht und zu
geringen Leitungsverlusten führt. NXP bietet
eine große Auswahl an Controllern, beginnend bei Low-Side-Controllern mit integrierter Feedback-Regelung bis hin zu SR-Controllern, die auch auf der High Side eingesetzt
werden können. Das gängigste Modell ist der
TEA1792T, der auf der Sekundärseite des Tra-
fos im DCM-Modus (Discontinuous Conduction Mode) und als quasi-resonanter FlybackWandler arbeitet. Die TEA1792A- und TEA1795-Bausteine sind außerdem für Resonanzwandler-Topologien in Stromversorgungen geeignet. Die starke Treiberfähigkeit der
Treiberstufe, die das externe MOSFET-Gate
auf 10 V bringt, stellt sicher, dass der MOSFET
schnell ein- und ausgeschaltet wird und dass
er immer mit dem geringstmöglichen RDSonbetrieben wird. Die Tatsache, dass der IC zwischen einem primären Impulssignal und einem Klingeln bei niedriger Netzspannung
unterscheidet, gewährleistet, dass der externe
MOSFET immer zum korrekten Zeitpunkt einund ausgeschaltet wird. NXP bietet eine große Auswahl an MOSFETS mit Betriebsspannungen bis zu 100 V an. (st)
■
Infineon Technologies
Dioden der fünften Generation:
650V thinQ!
»thinQ!« in der fünften Generation ist die führende Technologie
von Infineon für SiC-SchottkyBarrier-Dioden.
I
nfineon Technologies hat seinen proprietären Diffusionslötprozess, der mit der
dritten Generation eingeführt wurde, mit
einem neuen, kompakteren Design und der
Dünnwafer-Technologie kombiniert. Die darauf basierende neue Produktfamilie zeichnet
sich dank verbesserter thermischer Eigenschaften und eines geringeren FOM-Faktors
(Figure-of-Merit: Qc x Vf) durch einen höheren Wirkungsgrad in allen Lastbereichen aus.
Die fünfte thinQ!-Generation wurde als Ergänzung zu Infineons 650-V-CoolMOS-Familien konzipiert und gewährleistet so die
Einhaltung strengster Anwendungsanforderungen in diesem Spannungsbereich. Sie
zeichnet sich durch folgende Features aus:
• Durchschlagspannung von 650 V;
• verringerter FOM-Faktor;
• Keine Sperrverzögerungsladung;
• ein sanft schaltender Kurvenverlauf des
Sperrstroms;
• Temperaturunabhängiges Schaltverhalten;
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Der Vergleich des Wirkungsgrads zwischen den drei
Infineon-Generation von 8-A-SiC-Dioden
(experimentelle Ergebnisse)
a) Absolute Werte
b) Für thinQ! der 5. Generation
(CCM-PFC, hohe Eingangsspannung,
Pout max = 1800 W, fSW = 65 kHz, THS = 60°C,
MOSFET: IPW60R075CP)
Quelle: Infineon Technologies
• hohe Betriebstemperaturen
(Tjmax 175 °C);
• verbesserte Stromstoßfähigkeit;
• bleifreie Anschlüsse;
• 10 Jahre Erfahrung in der Fertigung
von SiC-Dioden.
Die Chips der fünften Generation sind für den
Einsatz in High-End-Servern, Schaltnetzteilen
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in Telekommunikationsanlagen, PC-Netzteilen, Beleuchtungen, Antriebsmotoren, Solarwechselrichtern und UPS-Systemen (Uninterruptible Power Supply; unterbrechungsfreie
Stromversorgung) optimiert. Weitere Informationen finden Sie auf www.infineon.com/
sic-gen5. (st)
■
45
Silica|AC/DC-Wandler Microchip Technology
Höhere Effizienz
für AC/DC-Wandler
Energiesparende Konzepte sind
ein zentrales Thema in der
heutigen Entwicklung von Stromversorgungen. Effizienz und
Zuverlässigkeit gehören zu den
wichtigsten Designaspekten.
E
ine der strengsten Vorgaben, die in den
vergangenen 12 Monaten veröffentlicht wurden, ist die von der Energy
Climate Savers Computing Initiative (CSCI)
herausgegebene »Efficiency Platinum«-Spezifikation für Netzteile mit einzelnem ACEingang mit einem Leistungsbereich bis 1
kW. Obwohl sich diese Spezifikation derzeit
auf Einzel-, Dual-, 4-Sockel- und BladeServer-Architekturen bezieht, ist damit zu
rechnen, dass sie auch auf Workstations und
Clients angewandt wird, sobald sich diese
Technologie etabliert hat. Darüber hinaus ist
Energy Star ein führender Standard in vielen
massengefertigten Konsumentenprodukten,
wie z.B. Entertainment-Systemen.
Microchip Technology hat ein voll digital geregeltes 720-W-AC/DC-Referenzdesign entwickelt, das auf Blade- und Volumen-ServerAnwendungen mit hoher Effizienz und hoher
Leistung ausgelegt ist. Die Topologie mit
überlappter PFC-Schaltung und überlapptem
Two-Switch-DC/DC-Durchflusswandler mit
synchroner Gleichrichtung beruht auf voll
programmierbaren dsPIC33-GS-DSCs mit dedizierter SMPS-Peripherie.
Im Folgenden werden die adaptiven Algorithmen vorgestellt, die zur Anpassung von
Schaltfrequenzen, Bulk-Spannung und anderen internen Systemparametern an verschiedene Lastzustände verwendet werden, wodurch sich die Gesamteffizienz verbessert,
sodass letztlich die »ENERGY STAR 80 Plus
Platinum Efficiency«-Spezifikation erfüllt wird
(Abbildung 1).
Einleitung
Netzteile von Blade- und Volumen-Servern
müssen gewöhnlich höchste Leistung, eine
lange Lebensdauer, große Zuverlässigkeit und
hohe Leistungsdichte liefern, und zwar zu annehmbaren Kosten. Microchip Technology
und APtronic/Deutschland haben ein Netzteil
entwickelt, das als Fallstudie zur Beleuchtung
verschiedener Design-Aspekte in dieser anspruchsvollen Anwendungsumgebung dient.
Die folgenden Abschnitte beschreiben die
Systemarchitektur und geben einen Überblick
über den Ansatz zur digitalen Regelung für
verschiedene Verfahren zur Steigerung der
Gesamteffizienz.
Angesichts der hohen Anforderungen an Leistung und Haltbarkeit wurde die Verwendung
bewährter Hard-Switching-Topologien anstelle effizienterer Soft-Switching- oder Re-
sonanz-Wandlertypen beschlossen. Um dennoch die »ENERGY STAR 80 Plus Platinum
Efficiency«-Vorgaben zu erreichen, wurden
adaptive Algorithmen zur Minimierung der
Leistungsverluste implementiert. Einige davon
erfordern zusätzliche Hardware für eine gezieltere Regelung des Systems. Abbildung 2
zeigt ein schematisches Blockdiagramm des
Referenzdesigns für ein AC/DC-Netzteil mit
Platinum-Einstufung.
Analyse der Leistungsverluste
Ein erster Schritt bei der Optimierung der Effizienz ist die detaillierte Analyse der Verluste,
um deren Quellen zu identifizieren und Lösungen zur Verbesserung zu entwickeln. Abbildung 3 zeigt alle festgestellten Verluste, ihren
Quellen zugeordnet, bei Volllast und bei
Leichtlast. Die aufgeführten Verluste hängen
mit Aspekten des Hardware-Designs zusammen, wie Kupferdicke, Gestaltung der Magnetbauteile, Layout und Art der verwendeten
Halbleiter.
Beim Vergleich der Schaubilder fällt auf, dass
der Anteil der verschiedenen Quellen je nach
Last erheblich schwankt. Während bei Volllastbedingungen der Großteil der Verluste
durch Leitungsverluste verursacht wird, sind
es bei Leichtlastbedingungen vor allem die
FET-Treiber und die Hilfsstromversorgung der
Regelstufe, die für die Verluste verantwortlich
sind. Die wichtigste Schlussfolgerung aus diesem Vergleich ist, dass für die verschiedenen
Lastbedingungen unterschiedliche spezifische
Lösungen zur Reduzierung der Leistungsverluste erforderlich sind, wobei ein intelligentes
System benötigt wird, das die Lastbedingungen erkennt und die internen Parameter anpasst.
Erweiterte Regelung
des Synchrongleichrichters
Abbildung 1:
Die jüngsten EffizienzMaßstäbe für Stromversorgungen von CSCI
Quelle:
Microchip Technology
46
Die von der Gleichrichterdiode auf der Sekundärseite verursachten Leistungsverluste wurden auf ein Minimum beschränkt, indem der
Gleichrichter durch einen Leistungsschalter
überbrückt wurde. Bei Volllast kann das Netz-
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teil bis zu 60 A bei 12 V DC liefern. Da der
Ausgangsstrom relativ hoch ist, bildet der Einschaltwiderstand der Gleichrichter-MOSFETs
die primäre Verlustursache bei voller Ausgangsleistung. Um diese Verluste zu minimieren, arbeiten zwei MOSFETs mit einem sehr
niedrigen Einschaltwiderstand parallel. Bei
einer Last von ca. 45% jedoch beginnt die
Leistung, die notwendig für den Betrieb dieser
FETs ist, die Einsparungen zu übersteigen.
Deshalb wird nur einer der beiden FETs bei
Lasten unter 45% verwendet. Bei einer Last
von 15% beginnt die Leistung für den Betrieb
dieses einzelnen MOSFETs erneut, die Einsparungen zu übersteigen, da die Gleichrichterdiode überbrückt wird. Ab jetzt werden nur
die Inversdioden der MOSFETs zur Gleichrichtung bis zum Erreichen des Nulllastzustands
eingesetzt.
Dynamische Reduzierung
der Schaltfrequenz
Der Vergleich der Leistungsverlustanalyse bei
Volllast und Leichtlast zeigt, dass die Schaltverluste bei Leichtlastbedingungen immer
stärker ins Gewicht fallen. Bei einer von 100
auf 10% sinkenden Last verdoppeln sich die
Verluste von PFC-Schaltung und DC/DCWandlerstufe nahezu und summieren sich auf
mehr als 40% des Gesamtleistungsverlusts.
Deshalb wurde ein Algorithmus implementiert, der die Schaltfrequenz reduziert, wenn
das Netzteil in Lastbedingungen mit weniger
als 50% Last eintritt. Um die Schaltfrequenz
reduzieren zu können, müssen die Regelkoeffizienten angepasst werden, so dass Durchtrittsfrequenz sowie Phasen- und Amplitudenreserve gewahrt bleiben. Die Schaltfrequenz kann allerdings nur innerhalb bestimm-
Abbildung 2: Schematisches Blockdiagramm
ter physischer Grenzen angepasst werden, die
von der Art der verwendeten Topologie abhängen. Aus diesem Grund variieren die mit
PFC-Schaltung und DC/DC-Wandlerstufen
erreichbaren Mindestschaltfrequenzen abhängig von der jeweiligen Lastbedingung.
Dynamische Reduzierung
der Bulk-Spannung
Das Reduzieren der Bulk-Spannung bei Leichtlastbedingungen ist ein gängiges Verfahren,
um in AC/DC-Netzteilen die Effizienz von PFCSchaltungen zu erhöhen. Der positive Effekt
auf die Effizienz der PFC wirkt sich jedoch negativ auf die Effizienz der DC/DC-Stufe aus
und bedingt somit ebenfalls bestimmte Grenzen bei der Abwägung von Verlusten und Einsparungen.
Resultate
Abbildung 4 zeigt die Resultate, die durch
Anwendung der verschiedenen oben beschriebenen Verfahren erzielt wurden. Die gestrichelte rote Linie steht für die Vorgaben und
Referenzpunkte des »80+ Platinum«-Standards. Wenn der dsPIC-GS-DSC lediglich als
Ersatz für einen Schaltregler ohne zusätzliche
Funktionen eingesetzt wird, weist das Netzteil
zwar noch immer eine gute Effizienz auf, bei
Lasten unter 60% erfüllt es die Vorgaben des
Standards jedoch nicht mehr. Eine Verbesserung der Effizienz im Hochlastbereich zwischen 60 und 100% um ca. 0,7% wird durch
eine permanente Optimierung der Zeitabstimmung zwischen den primären Schaltern und
dem Synchrongleichrichter erreicht. Bei ca.
55% Last beginnt die verbesserte Regelung
Abbildung 3: Vergleich der Verlustleistungsquellen bei Volllast und Leichtlast
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Quelle: Microchip Technology
Quelle: Microchip Technology
47
Silica|AC/DC-Wandler Schlussfolgerung
Die größere Flexibilität einer voll digitalen
Regelstufe eröffnet verschiedene Optionen
zur Optimierung der Funktionalität unter bestimmten Bedingungen. Jede Topologie und
Systemkonfiguration hat ihre spezifischen
Quellen für Leistungsverluste und nutzt daher
unterschiedliche Verfahren zu deren Ausgleich
bzw. Minimierung. Voll programmierbare Regelplattformen bieten die nötige Flexibilität,
um auf spezifische Aspekte der jeweiligen Topologie und Peripherieschaltung einzugehen,
so dass der Entwickler gezielte Maßnahmen
zur Optimierung des Systems umsetzen kann.
Abbildung 4: Resultate der Optimierung
des Synchrongleichrichters, Wirkung zu zeigen, und die Effizienz erhöht sich bei 50% Last
um mehr als 1%. Die deutliche Verbesserung
im Bereich unter 45% ist eine Kombination
aus Reduzierung der Frequenz, Anpassung der
Quelle: Microchip Technology
Bulk-Spannung und verbesserter Regelung
des Synchrongleichrichters. Durch den kombinierten Einsatz aller Verfahren könnte die
Effizienz bei 10% um mehr als 8% erhöht
werden.
Vor dem Hintergrund bestehender wirtschaftlicher und technischer Anforderungen wird
Microchip auch weiterhin Produkte entwickeln sowie zuverlässige und bewährte Regelverfahren erstellen, die die Entwicklung der
nächsten Generationen energieeffizienterer
Netzteile unterstützen. (st)
■
Texas Instruments (TI)
Netzteil-Controller mit
niedrigstem Standby-Verbrauch
TIs quasi-resonanter Flyback-Controller UCC28710 mit 700-V-Starterschaltung zeichnet sich durch
eine Leerlauf-Leistungsaufnahme
des Systems von weniger als 10
mW aus und erreicht 5 Sterne
nach den IPP-Richtlinien der EU
für stromsparende Netzteile und
Ladegeräte.
D
er Controller ist für Smartphone- oder
Tablet-Netzteile, aber auch für andere Netzteilanwendungen im 5 bis 10
W Leistungsbereich vorgesehen. Neben seiner geringen Leistungsaufnahme ermöglicht
der primärseitig geregelte Flyback-Controller
UCC28710 Entwicklern die Realisierung kompakterer Netzteile und netzgespeister Geräte.
Weitere Informationen und Muster sind unter www.ti.com/ucc28710-pr-eu zu finden.
Der Controller erzielt bei 5 W Ausgangsleis-
48
tung einen in der Branche unübertroffenen
durchschnittlichen Wirkungsgrad von 78 %
und erfüllt die kleiner 30 mW Leerlaufverlust-Anforderung für die Vergabe der 5 Sterne Bewertung nach den Vorgaben der IPPRichtlinie der EU. Der UCC28710 basiert auf
der neuen, für 700 V ausgelegten 0,25-µmAnalog-Prozesstechnologie LBC7HV von TI,
um den Start-up-Schalter integrieren zu
können. Hierdurch verringert sich die Standby-Verlustleistung um weitere 8 bis 10 mW.
Der Flyback-Controller UCC28710 zeichnet
sich durch folgende Eigenschaften:
• niedrigste Standby-Leistungsaufnahme von
weniger als 10 mW und Eignung für hohe
Start-up-Spannungen;
• höchste Integration durch primärseitiger
Konstant-Spannungs-/Konstant-Strom-Regelung - auf Optokoppler und eine TL431Feedbackschaltung kann gänzlich verzichtet
werden;
• unterstützt einen unerreicht weiten VDDSpannungsbereich, so dass kleinere Bias-Kondensatoren verwendet werden können;
• dank der hohen Schaltfrequenz können kleinere Trafos verwendet werden;
• durch den Wegfall zusätzlicher externer
Schaltungen wird das gesamte Design kompakter und weniger komplex.
• der Wegfall des Optokopplers und ein optionaler Eingang zum Anschluss eines frei positionierbaren NTC-Widerstands erhöhen die
Systemzuverlässigkeit.
Die UCC287xx-Familie besteht aus dem
UCC28700, dem UCC28701 und weiteren Produkten, mit denen sich einfach und schnell
Netzteile entwickeln lassen. Ein auf dem
UCC28710 basierendes Design für ein 10-WLadegerät (Tablets und Smartphones) erweitert die PowerLab-Referenzdesign-Bibliothek
für Netzteile und Universal-USB-Ladegeräte.
Der UCC28710 ist in einem SOIC-Gehäuse mit
7 Pins erhältlich. Das 5 W Evaluationsmodul
UCC28711EVM aus TIs eStore wandelt die eingangsseitige Spannung von 90 bis 265 V in
eine Gleichspannung von 5 V um (mit einer
Strombegrenzung auf 1 A für den Einsatz in
USB-Netzteilen). (st)
■
Sonderheft Power Management Powered by
www.silica.com/power
_0AOS4_ir_smt_renesas.pdf;S: 1;Format:(230.00 x 297.00 mm);17. May 2013 11:35:06
StrongIRFET™ Robuste,
zuverlässige MOSFETs
Spezifikationen
Features:
• Ultra-niedriger RDS(on)
Bauteilnummer
BVDSS
ID@
25°C
RDS(on) max@
Vgs = 10V
Qg@
Vgs = 10V
Gehäuse
IRFH7004TRPbF
40 V
100 A
1.4 mΩ
134 nC
PQFN 5x6
• Für den Industrieeinsatz qualifiziert
IRFH7440TRPbF
40 V
85 A
2.4 mΩ
92 nC
PQFN 5x6
• Breites Portfolio-Angebot
IRFH7446TRPbF
40 V
85 A
3.3 mΩ
65 nC
PQFN 5x6
IRF7946TRPbF
40 V
90 A
1.4 mΩ
141 nC
DirectFET
Medium Can
IRFS7437TRLPbF
40 V
195 A
1.8 mΩ
150 nC
D2-Pak
IRFS7440TRLPbF
40 V
120 A
2.8 mΩ
90 nC
D2-Pak
IRFS7437TRL7PP
40 V
195 A
1.5 mΩ
150 nC
D -Pak 7pin
• Solarwechselrichter
IRFR7440TRPbF
40 V
90 A
2.5 mΩ
89 nC
D-Pak
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IRFB7430PbF
40 V
195 A
1.3 mΩ
300 nC
TO-220AB
• ORing oder Hotswap
IRFB7434PbF
40 V
195 A
1.6 mΩ
216 nC
TO-220AB
IRFB7437PbF
40 V
195 A
2 mΩ
150 nC
TO-220AB
IRFB7440PbF
40 V
120 A
2.5 mΩ
90 nC
TO-220AB
IRFB7446PbF
40 V
118 A
3.3 mΩ
62 nC
TO-220AB
IRFP7430PbF
40 V
195 A
1.3 mΩ
300 nC
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Für weitere Informationen sind wir unter +49 (0) 6102 884 311
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Applications:
• Batterie-Packs
• Umrichter
• USV
THE POWER MANAGEMENT LEADER
Silica|AC/DC-Wandler Renesas Electronics
Super-Junction-PowerMOSFETs
der 600/650-V-Klasse
Die Super-Junction-PowerMOSFET
(SJ-PMOSFET) setzen einen neuen Maßstab für den niedrigsten
Drain-Source-Widerstand und
hohe Schaltgeschwindigkeiten. Sie sind die ideale Wahl
für Anwendungen, die höchste
Energieeffizienz bei Motorsteuerungen, erneuerbaren Energien,
Stromversorgungen und anderen
Bereichen erfordern.
Von Steffen Hering *
D
ie zunehmenden Ansprüche an die
Effizienz von Leistungselektronik erfordern eine unablässige Suche nach
den bestmöglichen Lösungen. Anwendungen
wie Stromversorgungen, Motorsteuerung, erneuerbare Energien und Beleuchtungstechnologien sind typische Beispiele in wachstumsstarken Märkten, die Leistungshalbleiter
zur Maximierung der Wirtschaftlichkeit benötigen. Dies bedeutet Effizienz im statischen
Betrieb ebenso wie im Betrieb bei steigenden
Schaltfrequenzen.
Beide Parameter, RDSon und QG,
haben Einfluss auf die Verluste.
Der Begriff »Figure of Merit«Faktor (FOM) verbindet beide
Parameter durch Multiplikation.
Dies ist ein einfacher Maßstab für
Effizienz.
FOM = RDSon x QG
FOM = RDSon x QGD (für Gate-Drain-Ladung
wird das Symbol »QGD« verwendet)
Mit der neuen Super-Junction-PowerMOSFET
(SJ-PMOSFET)-Produktlinie für einen Spannungsbereich von 600 V/650 V in Verbindung
mit einem Strombereich von 6,1 bis 55 A wird
die Mehrzahl aller Verbraucher- und industriellen Anwendungen abgedeckt.
Die niedrigen RDSon- und QG/QGD-Werte ergeben einen FOM-Faktor, der die ideale
Grundlage für die Entwicklung energieeffizienter Schaltungen bildet. Im Bereich der statischen Verluste bietet diese Produktlinie klare Vorteile gegenüber den herkömmlichen
Leistungs-MOSFET-Strukturen. Bei höheren
Frequenzen (über 50 kHz) sind die SJ-MOSFETs in Bezug auf die Gesamtverlustleistung
sogar IGBTs deutlich überlegen.
Beispiel für Standardgehäuse
SJ-PMOSFETs sind normalerweise auf einem
N+-Substrat aufgebaut. Schichten aus Pdotiertem Material bilden in einem niedrigdotierten N-Material die Säulenstruktur. In
einem epitaktischen Aufbauprozess mit mehreren Schritten werden die Säulen Schicht um
Schicht aufgebaut. Dadurch wir die Gesamtschichtdicke erhöht, bis die erforderliche
Spannungstoleranz erreicht ist. Diese Prozessvariante wird in Abbildung 1 (Mitte) unten dargestellt. Der Nachteil dieses Fertigungsprozesses ist jedoch der relativ langsa-
Abbildung 1: P-Material-Säulen in N-Material bilden die Deep-Trench-Struktur
Quelle: Renesas Electronics
Herkömmliche Halbleiterstrukturen wie z.B.
der planare Aufbau eines Leistungs-MOSFETs
kommen hier häufig an ihre physikalischen
Grenzen. Renesas hat daher eine völlig neue
Linie von Leistungs-MOSFETs mit der sog.
Super-Junction-Struktur entwickelt. Sie erfüllt die oben beschriebenen Anforderungen
in den Bereichen der statischen wie der dynamischen Eigenschaften. Typische statische
und dynamische Eigenschaftsparameter sind
RDSon (Drain-Source-Widerstand im eingeschalteten Zustand) und QGD (Gate-DrainLadung).
* Steffen Hering, A&P Product Management, ICBG,
Renesas Electronics Europe
50
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Abbildung 2: Schalteigenschaften der Diode
Quelle: Renesas Electronics
Abbildung 3: Topologie für eine Stromversorgung
Quelle: Renesas Electronics
me epitaktische Aufbau der Schichten zu
Säulen und die Komplexität aufgrund der
mehrfachen Wiederholungen der Schritte.
Renesas hat mit der Deep-Trench-Technologie
ein eigenes neues Verfahren zum Aufbau von
Super-Junction-Strukturen entwickelt, bei
dem diese Nachteile vermieden werden. Das
Deep-Trench-Fertigungsverfahren verlangt,
dass Gräben in das niedrig dotierte N-Material geätzt werden, um die P-Material-Bereiche zu bilden. Abbildung 1 (rechts) zeigt die
Deep-Trench-Struktur. Dank des zuverlässigen
Fertigungsprozesses, hochpräziser Maskenausrichtung und Dotierung in Verbindung mit
der Verkleinerung der Säulen aus P-Material
sind sehr niedrige RDSon-Werte und extrem
niedrige interne Kapazitätswerte realisierbar,
die wiederum niedrige QG(QGD)-Werte bewirken. Daraus ergeben sich FOM-Bestwerte
(Figure-of-Merit).
Spezifischer Widerstand
um gut 50% verringert
Ein Mitglied der Familie ist der Baustein
RJK60S5DPK mit absoluten Maximalwerten
von 600 V und 20 A. Er erzielt in Bezug auf
statische Verluste und Schalteigenschaften
sehr gute Ergebnisse. Der spezifische Widerstand pro Oberflächeneinheit ist um rund
52% niedriger als bei herkömmlichen Strukturen. Die außerordentlich niedrigen Werte
der Gate-Drain-Ladung QGD, die rund 80%
unter denen herkömmlicher Strukturen lieSonderheft Power Management Powered by
gen, ermöglichen schnelles Schalten bei niedrigen Verlusten. Im Vergleich zu herkömmlichen Strukturen liegt der Vorteil für den Anwender in der geringen Wärmeentwicklung
im Bauteil, was kompakte Schaltungen, kleinere Gehäuse und die Verwendung günstiger
Kühlkörper ermöglicht. Ein Derivat dieses
Bausteins gibt es mit spezieller Fast-Recovery-Diode (FRD), die dank ihrer größeren
Schaltgeschwindigkeit die Verlustleistung
während des Schaltens noch weiter reduziert
und damit eine geringere Wärmeentwicklung
erzielt (Abbildung 2). In den nächsten Jahren
wird die Familie der Super-Junction-PowerMOSFETs ständig erweitert, um zusätzliche
Strombereiche und Spannungsklassen abzudecken. Darüber hinaus wird Renesas Varianten mit optimierten Eigenschaften für spezielle Anwendungsbereiche anbieten.
Anwendungsbeispiel: Stromversorgung
Als Exempel für steigende Effizienzanforderungen bei Anwendungen kann die Stromversorgung dienen. Das Beispiel zeigt die Schaltkreistopologie (Abbildung 3) einer Stromversorgung mit synchroner Gleichrichtung. Die
Topologie enthält eine PFC-Steuerung (Power
Factor Correction) und eine H-Brücke, beide
mit Deep-Trench-SJ-PMOSFET auf der Primärseite. Die Sekundärseite verfügt über einen Mittelspannungs-PowerMOSFET mit einer
Spannungsfestigkeit von 60 V. Neben diskreten Bauteilen liefert Renesas auch alle anderen wichtigen Komponenten wie z.B. den PFC-
www.silica.com/power
Abbildung 4: Das Diagramm zeigt die Effizienzsteigerung,
die durch den »Deep-Trench«-SJ-MOSFET erzielt wurde,
im Vergleich zu einem Wettbewerbsprodukt mit epitaktisch
aufgebauter SJ-Struktur
Quelle: Renesas Electronics
IC und die ICs für die synchrone Gleichrichtung, Optokoppler für galvanisch getrennte
Steuersignale sowie einen Mikrocontroller für
die allgemeine Steuerung. In Abbildung 4 ist
gut zu sehen, wie entscheidend die implementierten SJ-PMOSFETs zur Effizienzsteigerung beitragen.
Zusammenfassung
Mit seiner neuen Super-Junction-PowerMOSFET-Reihe auf Basis der selbst entwickelten
Deep-Trench-Technologie hat Renesas einen
Maßstab für hocheffiziente Leistungshalbleiter geschaffen. Dies erlaubt eine erhebliche
Steigerung der Anwendungseffizienz. Die Fertigung erfolgt vollständig im eigenen Haus
und gewährleistet so eine gleichbleibend hohe Produktqualität. (st)
■
51
Silica|AC/DC-Wandler STMicroelectronics
Komplettes Produktspektrum
für eine effiziente
AC/DC-Wandlung
Leistungs-MOSFETs der
SuperMESH 5 Familie
Quelle: STMicroelectronics
Dank einer Kombination von
Hochspannungs- und Niederspannungstechnologien sowie
neuer Materialien ist STMicroelectronics mit einem großen
Produktspektrum der ideale
Partner für jede AC-DC-Anwendung – die richtige Adresse,
wenn es auf jedes mW ankommt,
wo jedes bisschen Effizienz zählt,
wo jeder cm3 eingespart
werden muss.
F
SiC-Dioden von STMicroelectronics
Quelle: STMicroelectronics
ür AC-DC-Stromversorgungen und
-Wandler bietet STMicroelectronics
das komplette Produktspektrum, einschließlich Mikrocontroller, Leistungsfaktorkorrektur-ICs (PFC), eines der breitesten
Sortimente von Leistungs-MOSFETs und
IGBTs mit erstklassigen Leistungswerten für
Hochspannungsbauteile, SiC- und SchottkyGleichrichter, mit denen sich hocheffiziente,
vollintegrierte Hochspannungswandler mit
Steuerung, Schutz und Leistungsstufe in
einem Gerät entwickeln lassen. Mit diesen
Bauteilen trägt ST dazu bei, dass Wandler einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Stromdichte und einen geringeren Standby-Strom
erreichen.
VIPer- und Altair-Familien
Die neue Generation von AC-DC-Wandlern
hat eine niedrigere Leistungsaufnahme und
einen höheren Wirkungsgrad – beides Punkte,
die wichtig für die Stromversorgung der meisten netzgespeisten Geräte sind (ConsumerGeräte, Weiße/Braune Ware, Beleuchtung,
52
Industriemärkte). Für AC-DC-Hilfsstromversorgung mit einer Leistung bis 30 W bietet
STMicroelectronics zwei Familien monolithischer Wandler mit integriertem LeistungsMOSFET und Controller in einem einzigen
Gehäuse an.
Die VIPerPlus-Offline-Wandler verfügen über
einen 800-V-MOSFET mit hoher AvalancheFestigkeit und vielen Funktionen, mit denen
die Anzahl externer Komponenten reduziert
und eine effiziente AC-DC-Wandlung gewährleistet werden kann.
Die Bausteine erlauben eine sehr niedrige
Leistungsaufnahme aus dem Netz, wenn sich
das System im Standby-Modus befindet (unter 30 mW bei 265 V). Ein Konstantstrombetrieb mit einstellbarem Sollwert ermöglicht
den Einsatz mit allen Netzspannungen in
Schaltnetzteildesigns für Leistungen bis 30 W.
Altair-ICs sind Wandler mit vollständiger Primärabtastung (ohne Optokoppler). Sie eignen
sich für isolierte quasi-resonante FlybackKonfigurationen mit einer Ausgangsleistung
unter 10 W. Typische Anwendungen sind
Sonderheft Power Management Powered by
www.silica.com/power
AC/DC-Wandler aus der
VIPerPlus-Familie
Quelle: STMicroelectronics
Schaltnetzteile für die Strommessung und
Akkuladegeräte für Mobiltelefone und Netzadapter, die eine präzise Strom- und/oder
Spannungsregelung benötigen.
Das Design mit beiden Produktfamilien wird
durch die eDesignSuite (www.st.com/edesignsuite) unterstützt, ein sehr einfacher Simulator, mit dem der Entwickler in wenigen Schritten seine Schaltung entwickeln und deren
Effizienz, Stabilität und verteilten Verluste
beurteilen kann, und der eine Materialliste
mitliefert.
Leistungsfaktorkorrektur (PFC)
Die PFC-Controller von STMicroelectronics
arbeiten im Übergangsmodus (TM: Transition
Mode, etwa bis 150 W) und im Continuous
Conduction Mode (CCM, höhere Leistung). Sie
sind für den Betrieb mit Weitspannungseingang geeignet.
Für Systeme, bei denen sowohl Hochstromfähigkeit (die durch CCM gewährleistet wird) als
auch die Möglichkeit des Übergangsmodus
erforderlich ist, bietet STMicroelectronics eine
dritte Lösung an, die auf einer eigenen patentierten Lösung beruht: die Fixed-off-TimeMethode (FOT). Sie basiert auf einer einfachen
Modifikation des Standard-Übergangsmodus
von PFC-Controllern und ist im neuen L4984D
implementiert.
Alle PFC-Controller für den Übergangsmodus
(L656*-Familie) verfügen über einen internen
Multiplikator, der den internen Klirrfaktor
(THD: Total Harmonic Distortion) deutlich reduziert und dadurch Schaltnetzteile effizienter macht, so dass sie die Vorgaben von
EN61000-3-2 und anderen Bestimmungen
zur Energieeinsparung einhalten. Diese Bauteile sind mit modernen Schutzfunktionen
versehen, durch die Schaltnetzteile robuster
und kompakter werden, da sie weniger exterSonderheft Power Management Powered by
ne Komponenten benötigen. Zu diesen Funktionen gehören Überspannungsschutz am
Ausgang, Brownout-Erkennung, Schutz gegen
Feedback-Disconnection und Sättigung der
Induktivität. Der Hochspannungsanlauf des
L6564H und des L6563H trägt zur Verbesserung des Wirkungsgrads im Standby-Modus
von Schaltnetzteilen in Systemen bei, die keine Hilfsstromversorgung haben.
PWM-Controller
Das Portfolio von ST an Offline-Pulsweitenmodulator-Controllern (PWM) umfasst Current-Mode- und Voltage-Mode-PWMs sowie
erweiterte PWMs, die gängige und ausgeklügeltere Schaltnetzteilanwendungen von 40 W
bis 500 W abdecken, wie z.B. LED-Straßenbeleuchtung und andere Industriesegmente.
Beide Produktfamilien unterstützen isolierte
und nicht-isolierte AC-DC- und DC-DCStromversorgungen und verwenden die gängigsten Leistungs-Topologien, sowohl singleended als auch double-ended.
Das ST-Portfolio an erweiterten Controllern
umfasst primärseitige Controller, die für
Hochleistungsanwendungen gedacht sind, bei
denen herkömmliche Standardcontroller keine effektive Lösung darstellen. Sehr hohe Wirkungsgrade lassen sich durch Single-endedTopologien (Flyback) mit fester Schaltfrequenz
oder im quasi-resonanten Betrieb erreichen.
Ein vollständiges Paket von On-Chip-Schutzfunktionen macht sehr robuste Lösungen mit
Ausgangsleistungen bis 150 W mit FlybackTopologie möglich. Die Hochspannungskomponente – L6566H – ist dank des 800-VHochspannungsanlaufs für Anwendungen
geeignet, die mit dreiphasigem Netzstrom
betrieben werden. Um herausragende Wirkungsgrade zu realisieren, bietet ST eine Reihe von HV-Resonanz-Controllern aus der
L659x-Familie an. Dank der proprietären
www.silica.com/power
Hochvolt-Technologie kann diese Familie
Halbbrücken-Topologien mit integrierten
High-Side- und Low-Side-Treibern mit interner Bootstrap-Struktur unterstützen. Heute
sind mehrere Optionen verfügbar, wie zum
Beispiel ein großer Betriebstemperaturbereich
für Outdoor-Anwendungen. Als Abrundung
des Angebots an Dual-ended-Topologien ist
der Controller L6591 speziell für asymmetrische Halbbrücken-Topologien gedacht, die für
gewöhnlich in Hochleistungs-, Hochstromanwendungen verwendet werden.
Transistoren und Gleichrichter
zur Vervollständigung des Designs
Führende Leistungstechnologien für Hochspannungs- und Niederspannungsanwendungen in Verbindung mit einem umfassenden
Gehäusespektrum und innovativen DrahtBond-Technologien ermöglichen ST viele Innovationen im Bereich der Leistungstransistoren.
Das Portfolio von ST umfasst MOSFETs von
500 bis 1500 V, IGBTs mit Durchbruchspannungen zwischen 350 und 1300 V sowie ein
großes Spektrum von Bipolar-Transistoren.
Mehr als 30 Gehäusevarianten sind verfügbar,
darunter auch Gehäuse mit dem weltweit
besten Leitungswiderstand (RDSon) pro Fläche
für 650-V-LeistungsMOSFETS (0,029 Ω im TO247-Gehäuse). Sie zeichnen sich zudem durch
verringerte Gate-Ladungen und Verlustleistungen aus, um die strengen Effizienzanforderungen einzuhalten. Ausgewählte Produktlinien sind mit einer Fast-Body-Diode ausgestattet, was zusätzliche Vorteile für die
Stromversorgung bringt. STMicroelectronics
hat für jeden Spannungsbereich den richtigen
MOSFET, um Anwendungen wie Point-ofLoad, Telekommunikations-AC-DC-Wandler,
PFC und Automotive-Applikationen zu realisieren.
STMicroelectronics bietet außerdem Schottky- und extrem schnelle Gleichrichterlösungen für alle Marktbedürfnisse an, angefangen
mit der neuesten »M-Serie« (Schottky) mit
verbesserten Avalanche-Werten und höheren
Strömen in flachen PowerFLAT-Gehäusen. Für
eine hocheffiziente Gleichrichtung oder Freilauffunktion verbessert die neue FERD-Familie (Field Effect Rectifier Diode) die Stromdichte von Wandlern. Für Stromwandler, bei
denen Siliziumdioden an die Grenzen ihrer
Betriebstemperatur und Stromdichte kommen, bieten ST-Bauteile aus Siliziumkarbid
der ersten und zweiten Generation eine optimale Zuverlässigkeit. (st)
■
53
Silica|AC/DC-Wandler ON Semiconductor
Schaltregler
mit hohem Wirkungsgrad
bei geringen Lasten
Die neuen Schaltregler NCP1072
und NCP1075 von ON Semiconductor bieten alles, was der Entwickler braucht, um ein robustes
und kostengünstiges Schaltnetzteil (SMPS: Switch-Mode Power
Supply) mit niedriger Leistungsaufnahme im Standby-Modus
zu realisieren.
D
ie Bausteine sind mit einem 700-VMOSFET mit einem Durchlasswiderstand von 11 Ω ausgestattet. Damit
können Stromversorgungen für eine Leistung
von bis zu 10 W direkt aus dem Stromnetz
realisiert werden. Eine integrierte Stromquelle liefert den nötigen Anlaufstrom, um die
Stromversorgung in Gang zu bringen.
Sowohl der NCP1072 als auch der NCP1075
zeichnen sich durch eine hohe Integration
aus. So sind auf den Bausteinen beispielsweise Funktionen wie Softstart, Frequenz-Jittering zur Reduzierung von elektromagneti-
Alle Varianten der neuen Leistungsschalter
sind in DIP-7- oder SOT223-Gehäusen
untergebracht
Quelle: On Semiconductor
schen Störungen, Kurzschlusssicherung, SkipCycle-Betrieb, einen Sollwert für den maximalen Spitzenstrom sowie Rampenkompensation. Die Bausteine sind darüber hinaus mit
einer internen Stromversorgung, dem Dynamic Self-Supply (DSS), ausgestattet, die Hilfswicklungen überflüssig macht.
Im Unterschied zu anderen monolithischen
Lösungen sind die Bauteile der NCP107x-Familie leise: während des Betriebs mit normaler Last schalten sie an einer der möglichen
fest eingestellten Frequenzen (65 kHz, 100
kHz oder 130 kHz). Wenn weniger Ausgangs-
Merkmale
der NCP1072-75:
• Große Kriechstrecken zwischen den
Hochspannungs-Pins
• Spitzenstrom: 250 mA (NCP1072) oder
450 mA (NCP1075)
• Interner 1-ms-Softstart
• Frequenz-Foldback-Betrieb für einen
verbesserten Wirkungsgrad bei geringer Last
• Leistungsaufnahme ohne Last unter
50 mW
54
• AC-Eingangsspannungserkennung
• Abschaltung bei Überhitzung
Die Bausteine eigenen sich besonders für
isolierte Hilfs/Standby-Stromversorgungen in Anwendungen wie Weiße Ware
oder Smart-Meters. (st)
leistung erforderlich ist, wechselt das IC automatisch in den Frequenz-Foldback-Modus
und erreicht damit einen ausgezeichneten
Wirkungsgrad bei geringer Last. Wenn noch
weniger Strom benötigt wird, schaltet er in
den Skip-Cycle-Betrieb, um den StandbyStromverbrauch auf einen Wert zu senken, der
dem Leerlaufbetrieb entspricht.
Weitere Schutzfunktionen beinhalten unter
anderem einen Timer, um eine Überlast oder
einen Kurzschluss zu erkennen, einen Überspannungsschutz mit Auto-Recovery und ACEingangsspannungserkennung. Um die Leistungsaufnahme im Standby-Modus noch
weiter zu reduzieren, kann der Entwickler eine Hilfswicklung anschließen, um den DSSBetrieb zu umgehen. Dadurch kann die Eingangsleistung unter 50 mW bei Netzspannung
gesenkt werden.
Die Familie wird bald durch 22-Ohm- (NCP1070/71) und 4,5-Ohm-Versionen (NCP1076/77) ergänzt, damit Entwickler auch die
Leistungsbereiche von wenigen bis hin zu 25
W für europäische Stromnetze abdecken können. Alle Varianten sind in DIP-7- und SOT223Gehäusen untergebracht und bieten Pin-zuPin-Kompatibilität mit der bestehenden
NCP1010~15-Familie von ON Semiconductor,
um die Migration zu erleichtern. (st)
■
Sonderheft Power Management Powered by
www.silica.com/power
_0AQVD_TI_shSilicaNEU.pdf;S: 1;Format:(230.00 x 297.00 mm);28. May 2013 14:19:19
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Silica|DC/DC-Wandler Analog Devices
Power-Management für die
Stromversorgung von FPGAs
Die heutigen modernen FPGAs
zeichnen sich alle dadurch aus,
dass sie mehrere Spannungen
benötigen. Herkömmliche Stromversorgungen für diese FPGAs
bedurften mehrerer diskreter
Schaltregler und LDOs. In diesen
diskreten Power-Designs lieferten
die Schaltregler die hohen CoreSpannungen, während die LDOs
die störungsempfindlicheren
Taktgeber versorgten.
Von Maurice O’ Brien *
* Maurice O’ Brien ist
Product Marketing Manager,
Power Management Division,
Analog Devices
N
achdem die Endprodukte aber immer
kleiner werden, wurden höher integrierte Power-Management-Lösungen
entwickelt, um die Anforderungen an kleinere Leiterplattenfläche zu erfüllen.
Diese neuen, hoch integrierten Power-Management-Komponenten sind mit mehreren
Schaltreglern, LDOs und Supervisory/Watchdog-Timern ausgestattet und ermöglichen
somit eine deutliche Größenreduktion, verringerte Kosten und eine kürzere Entwicklungszeit. Da die Entwicklungszyklen der Kunden
zunehmend kürzer werden, wird es immer
wichtiger, ein einziges Stromversorgungs-IC
zu haben, das mehrere Versorgungsströme
für ein FPGA erzeugt und einfach konfiguriert werden kann, so dass das MehrkanalIC in verschiedenen Applikationen/Konfigurationen schnell und einfach einsetzbar ist.
So lassen sich die Entwicklungszeit und das
Time to Market verkürzen.
Die Vorteile von µPMUs zur Stromversorgung
von FPGAs sehen so aus:
• kosteneffektive Lösung;
• mit dem Baustein vereinfachen sich das
Sequenzierung und Voltage-Tracking;
• kleiner Platzbedarf auf der Leiterplatte;
• rauscharmes, phasenverschobenes
Schalten, reduzierte EMI;
• kein externes Synchronisierungssignal
notwendig;
• einfach einzusetzen, umfangreiches
Know-how zu Stromversorgungen
ist nicht erforderlich;
• weniger Bauteile und
verbesserte Zuverlässigkeit.
Größe
Durch die Integration mehrerer Abwärtsschaltregler, LDOs, Überwachungs- und
Watchdog-Funktionsblöcke auf einem einzigen Chip lässt sich die Platinenfläche für die
Stromversorgung deutlich verringern. Beim
ADP5034 beispielsweise handelt es sich um
einen Dual-Abwärtsregler mit 1,2 A, der mit
zwei 300 mA LDOs in einem 24-LFCSP-Gehäuse ausgestattet ist. Der Baustein ermöglicht eine neue Generation hochintegrierter
Regler mit mehreren Ausgängen, die nur sehr
wenig Platz auf der Leiterplatte benötigt, weil
er mehrere Schaltregler und LDOs in einem
einzigen Gehäuse bereitstellt. Die integrierten
Funktionales Blockdiagramm
des ADP5041 – 1,2 A Abwärtsregler und dualer 300 mA LDO,
Überwachung, Wächter und
manueller Reset (links) und
funktionales Blockdiagramm
des ADP5034 – dualer 3 MHz
Abwärtsregler mit zwei
300 mA LDOs (rechts)
Quelle: Analog Devices
56
Sonderheft Power Management Powered by
www.silica.com/power
Vorteile integrierter Mikro-PMUs
Quelle: Analog Devices
Schaltregler arbeiten mit einer Schaltfrequenz
von 3 MHz, so dass sehr kleine Induktivitäten
genutzt werden können, was sich sehr positiv
auf die Gesamtgröße der Lösung auswirkt: Die
Gesamtgröße der ADP5034-Lösung beträgt
nur 72 mm2.
Einfache Handhabung
Da die Entwicklungszyklen für neue Produkte
immer kürzer werden, steigt der Bedarf an
Power-Management-ICs, die einfach einzudesignen und gleichzeitig einfach zu modifizieren sind, so dass sie auch an kommende
Anforderungen angepasst werden können.
Der ADP5041-Regler mit mehreren Ausgängen ist mit einem 1,2 A Abwärtsregler, zwei
300 mA LDOs, einem Power-on-Reset- und
einem Watchdog-Timer für hochzuverlässige
Prozessorsysteme ausgestattet.
Alle in dem Chip integrierten Regler haben
dedizierte Enable-Pins (Aktivierungsanschlüsse), um höchst flexibel sein zu können. Denn
so kann der Stromversorgungsentwickler jeden dieser drei Regler in Hardware ohne
Software-Overhead aktivieren/deaktivieren
und damit ein einfaches Sequenzieren der drei
Versorgungsspannungen realisieren.
Die Ausgangsspannung jedes der drei Regler
wird mithilfe eines externen Widerstandsteilers eingestellt, so dass auch in diesem Fall der
Stromversorgungsentwickler schnell und einfach die Ausgangsspannungen während des
Prototypings, aber auch für neue Designs verändern kann. Die Kombination der einzelnen
Enable-Pins mit über Widerstände programmierbaren Ausgangsspannungen für jeden
einzelnen Regler hilft dabei, die Komplexität
von Stromversorgungen und die dafür notwendige Entwicklungszeit zu reduzieren und
somit schlussendlich neue Produkte schneller
auf den Markt zu bringen.
Weniger Bauteile,
mehr Zuverlässigkeit
Die Blockdiagramme zeigen einen Vergleich
zwischen einem diskreten Aufbau mit zwei
1,2 A Abwärtsreglern und zwei 300 mA LDOs
und dem ADP5034 mit mehreren Ausgängen.
Die diskrete Lösung braucht 22 Bauteile auf
einer Platinenfläche von 97 mm2. Ein Design
mit dem ADP5034 benötigt hingegen nur 19
Sonderheft Power Management Powered by
Komponenten und eine Platinenfläche von 72
mm2. Das heißt, dass mit dem ADP5034 eine
um 35 % kleinere Leiterplatte genutzt werden
kann und dass die Kosten für die Bestückung
von drei Komponenten wegfallen. Und das ist
einiges, denn die Bestückungskosten für eine
Komponente auf der Leiterplatte können
leicht mal auf 3 Cents kommen, wenn die Kosten für Einkauf, Lagerhaltung, Bestückung
und Test mitberücksichtigt werden. Hinzu
kommt: Je mehr Komponenten auf die Leiterplatte montiert werden müssen, desto größer
ist die Gefahr von Fertigungsfehlern. Wird
also die Anzahl der zu bestückenden Komponenten gesenkt, sinken die Kosten für die Fertigung, und die Zuverlässigkeit des Fertigungsprozesses geht nach oben.
Rauscharme Lösungen
Ein dedizierter MODE-Pin an den Abwärtsschaltreglern kann bequem über einen GPIOPort des Mikroprozessors gesteuert werden,
was den Schaltregler zwingt, im konstanten
PWM-Modus zu arbeiten. Dies kann notwendig sein, wenn die zu versorgende Schaltung
(Transceiver, ADC, Audio) empfindlich auf
Breitbandrauschen beim Burst-Betrieb eines
Schalters bei geringer Last reagieren würde.
Jeder LDO in dem Multi-Output-Regler verträgt eine Eingangsspannung zwischen 1,7
und 5,5 V. Der kleine Eingangsspannungsbereich des LDOs erlaubt es ihm, zusammen mit
www.silica.com/power
einem Buck-Regler eine Ausgangsspannung
mit geringem Rauschen zu liefern. So kann der
Buck-Regler beispielsweise als Vorregler genutzt werden, um einen effizienten Spannungsabfall vom 5 V Eingang zum 1,8 V Ausgang des Buck-Reglers zu generieren. Die 1,8
V werden dann wiederum an den Eingang des
LDOs gelegt, um eine sehr rauscharme 1,2 V
Ausgangsspannung zu erzeugen, so dass sehr
empfindliche analoge Schaltungen hocheffizient mit anfänglich 5 V versorgt werden können.
Die integrierten LDOs zeichnen sich durch eine hohe Störspannungsunterdrückung (PSRR)
aus, das gilt selbst bei einem sehr kleinen Abstand zwischen Ein- (Vin) und Ausgangsspannung (Vout), und durch geringes Rauschen.
Außerdem wurde das Übersprechen zwischen
den Reglern minimiert. All diese Eigenschaften sind für die Stromversorgung von rauschempfindlichen Schaltkreisen von großer Bedeutung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass neue
integrierte Power-Management-ICs wie der
ADP5034 und der ADP5041 die Komplexität
und Größe von Power-Management-Designs
für FPGAs beträchtlich reduzieren. Details zu
den integrierten Power-Management-Lösungen von Analog Devices erhalten Sie unter:
http://www.analog.com/en/power-management/multi-output-regulators/products/index.html (st)
■
57
Silica|DC/DC-Wandler Maxim Integrated
Effizienter DC-DC-Wandler
für die Erzeugung
der APD-Vorspannung
Optikfaser-Kommunikationssysteme nutzen Lawinen-Photodioden (APDs) zur Überwachung
des Datenverkehrs auf der Faser.
Eine APD benötigt eine hohe Vorspannung, um zu funktionieren,
gängig sind hier 76 V. Diese hohe
Vorspannung wird mit DC-DCAufwärtswandlern erzeugt, die
von pulsweitenmodulierten
(PWM) Controllern gesteuert
werden.
Von Neil Longgood *
Abbildung 2. Induktorstrom und -spannung
Quelle: Maxim Integrated
D
C-DC-Wandler haben von Natur aus
einen schlechten Wirkungsgrad. Jedes
Bauteil des Systems hat nicht-ideale
Anteile, die zum Effizienzverlust beitragen.
Die Arbeitspunkte von PWM-Controllern wirken sich ebenfalls auf den Wirkungsgrad des
Wandlers aus.
In diesem Beitrag werden die Grundfunktionen eines Aufwärtswandlers beschrieben. Darüber hinaus wird erklärt, wie man sowohl die
Drossel- als auch die Schaltfrequenz wählt,
um den Wirkungsgrad eines Aufwärtswandlers zu maximieren. Und er behandelt weitere
Komponenten, die den Wirkungsgrad des
Wandlers verbessern. Danach wird ein Beispiel-DC-DC-Wandler vorgestellt, der einige
dieser Verbesserungen aufweist.
Abbildung 1. Schaltbild eines DC-DC-Wandlers
für die Erzeugung der APD-Vorspannung
Quelle: Maxim Integrated
* Neil Longgood ist Principal Member
of Technical Staff bei Maxim Integrated
58
ode eine Lade- und eine Entladephase. Abbildung 2 zeigt den Drosselstrom und die Drosselspannung während der Lade- und während
der Entladephase.
Die Ladephase beginnt, wenn der Transistor
Q1 eingeschaltet und somit die Eingangsspannung (VIN) auf die Drossel L1 gelegt wird.
Die Diode D1 verhindert, dass sich der Kondensator C1 über Q1 an Masse entlädt. Weil
die Eingangsspannung als Wechselstrom vorliegt, steigt der Drosselstrom linear an (siehe
Abbildung 2). Die Gleichung für den Drosselstrom lautet:
(1)
Die in der Drossel während der Ladephase gespeicherte Energie ergibt sich wie folgt:
Funktion
eines Aufwärtswandlers
(2)
Ein Aufwärtswandler wird von einem PWMController gesteuert. Das PWM-Signal wird
dafür verwendet, den Transistor Q1 zu schalten. Dadurch entstehen bei jeder Schaltperi-
IPK ist der Spitzenstrom, der in der Drossel
fließt. Dieser Strom tritt am Ende der Ladephase auf. Mit Gleichung 1 kann der Spitzenstrom wie folgt berechnet werden:
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(3)
(7)
Wobei D und T der Arbeitszyklus (%) und die
Zeitdauer (s) der Schaltfrequenz sind. Gleichung 3 lässt sich in Gleichung 2 einsetzen,
um die während der Ladephase in der Drossel
gespeicherte Energie zu berechnen:
Anhand von Gleichung 7 kann der nötige
Drosselwert berechnet werden:
(8)
(4)
Die Entladephase beginnt, wenn Q1 ausgeschaltet wird. Während der Entladephase wird
die in der Drossel gespeicherte Energie an den
Ausgang übertragen. Diese Energie wird deshalb übertragen, weil der Drosselstrom auch
nach dem Abschalten von Q1 weiterfließt. Der
Strom fließt jetzt durch Diode D1 an den Ausgangskondensator C1. Damit der Drosselstrom
in die Diode fließt, muss die Spannung bei VL
größer als die Spannung bei VOUT sein.
Abbildung 2 zeigt die große Spitze in der
Spannung bei VL, wenn der Drosselstrom beginnt, durch die Diode zu fließen. Jetzt, da
eine große negative Spannung in der Drossel
vorhanden ist, kehrt sich der Anstieg des
Stroms durch die Drossel um. Wegen der hohen Spannung in der Drossel fällt der Strom
in der Drossel schnell auf null ab. Sobald die
gesamte in der Drossel gespeicherte Energie
an den Ausgang abgegeben wurde, fällt der
Drosselstrom auf null ab. Da kein Strom mehr
vorhanden ist, um die Spannung bei VL aufrechtzuerhalten, fällt dieser Knoten wieder
auf die Eingangsspannung VIN ab. Der Drosselstrom während der Entladephase ergibt sich
wie folgt:
(5)
Will man einen Aufwärtswandler entwickeln,
muss man als Erstes die gewünschte Ausgangsspannung und den von der Last benötigten maximalen Strom bestimmen. Die vom
Aufwärtswandler verfügbare Energie muss
größer sein als die gewünschte Ausgangsenergie und alle kombinierten Verluste in der
Schaltung. Der Wirkungsgrad des Wandlers
wird durch
dargestellt. Ein geeigneter Anhaltspunkt für die Berechnung der Bauteile
und Einstellungen für die Schaltung ist ein
Wirkungsgrad von 0,4 bis 0,75. Die in jeder
Zeitperiode erforderliche Energie ist:
(6)
Stellt man die Eingangsenergie (Gleichung 4)
und die Ausgangsenergie (Gleichung 6) gleich,
so erhält man folgenden Ausdruck:
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Die Effizienz in einem
DC-DC-Wandler maximieren
Es gibt viele Verlustquellen in einem DC-DCWandler, die die Effizienz des Systems senken.
Diese Verluste können in zwei Gruppen eingeteilt werden: Effizienzverluste aufgrund
eines hohen Drosselstroms und Schaltverluste, die jedes Mal auftreten, wenn der Schaltkreis zwischen Lade- und Entladephase umschaltet. Wir werden nacheinander die beiden
Verlustarten behandeln.
Drosselstrom
Es gibt drei Hauptquellen für Effizienzverluste, die durch Drosselstrom verursacht werden.
Die zwei wichtigsten Quellen sind der DrainSource-Widerstand des Transistors, während
er Strom führt, und der Gleichstromwiderstand der Drossel. Beide erhöhen den Gleichstromwiderstand, der sich dem Drosselstrom
entgegenstellt, nehmen Eingangsleistung auf
und reduzieren die Spannung, die während
der Ladephase an der Drossel liegt. Beim Entladen der Drossel über der Diode kommt es
ebenfalls zu Verlusten, die proportional zum
Drosselstrom sind. Der Drosselstrom kann bei
einem DC-DC-Wandler reduziert werden, indem man die Größe und die Ladezeit der Drossel erhöht. Die Größe und die Ladezeit der
Drossel können solange verändert werden,
wie die Drossel die gleiche Energiemenge
speichert und in jeder Zeitperiode an den Ausgang abgibt. Dies wird im folgenden Beispiel
illustriert.
Abbildung 3. Im Induktor gespeicherte Energie
Quelle: Maxim Integrated
man eine größere Drossel wählt und den Arbeitszyklus eines DC-DC-Wandlers verlängert.
Schaltverluste
Die zweite wichtige Quelle für Effizienzverluste ist der Schaltverlust, der bei jedem
Schaltzyklus des DC-DC-Wandlers auftritt.
Die deutlichsten Schaltverluste werden durch
parasitäre Kapazitäten in der Schaltung verursacht. Jedes Mal, wenn die Drossel über die
Diode entladen wird, muss der Knoten an der
Anode der Diode auf eine Spannung aufgeladen werden, die höher ist als VOUT. Dieser Knoten hat die Drain-Source-Kapazität des Transistors, die Kapazität der Anode sowie jegliche
parasitäre Kapazität der Leiterplatte.
Es gibt noch andere Quellen für Schaltverluste. Schaltverlust tritt zu Beginn jedes Ladezyklus auf, wenn die Gate-Kapazität des Transistors aufgeladen werden muss, bevor sich
der Transistor einschaltet. Kernverlust in der
Drossel ist eine weitere Ursache für Energieverlust. Wenn die Schaltfrequenz steigt, nehmen auch die Kernverluste in der Drossel zu.
Die Höhe dieser Verluste hängt vom Material
des Drosselkerns und seiner Größe ab. Schaltverluste treten auch während der Sperrverzö-
Abbildung 3 zeigt drei Drosseln mit Induktivitäten von 1, 2 und 4 Henrys, bei denen jeweils 1 V anliegt und die so lange laden, bis
sie 2 Joule Energie gespeichert haben. Die
4-H-Drossel braucht doppelt so lange, oder
zweimal den Arbeitszyklus, wie die 1-H-Drossel, um die gleiche Energiemenge von 2 Joule
zu speichern.
Abbildung 4 zeigt den Strom, der während des
Aufladens in diesen drei Drosseln fließt. Man
sieht, dass die 1-H-Drossel 2 A Strom benötigt, die 4-H-Drossel aber nur 1 A. Dies zeigt,
wie sich der Drosselstrom verringert, wenn
www.silica.com/power
Abbildung 4. Induktorstrom
Quelle: Maxim Integrated
59
Silica|DC/DC-Wandler der Drossel kleiner als der erforderliche Spitzenstrom des Wandlers ist, kann der Wandler
nicht die nötige Ausgangsleistung liefern.
Abbildung 5. Wirkungsgrad einen DC-DC-Wandlers,
der aus 3,3 V 76 V erzeugt
Quelle: Maxim
gerung der Diode auf. Während dieser Zeit
darf Ladung, die am Ausgang gespeichert
wurde, durch die Drossel fließen. Schaltverluste in einem Wandler treten bei jedem
Schaltvorgang auf. Diese Verluste sind unabhängig vom Spulenstrom, aber direkt proportional zur Schaltperiode. Daher ist es von
Vorteil, die längste Schaltperiode zu wählen,
bei der das System noch ordnungsgemäß
funktioniert.
Kompromisse
Die zwei Methoden, die hier empfohlen werden, um den Wirkungsgrad des Wandlers zu
erhöhen, bedingen eine größere Drossel. Um
den Drosselstrom zu reduzieren, wird empfohlen, eine größere Spule und eine längere Einschaltdauer zu verwenden. Um die Schaltverluste zu senken, wird eine längere Zeitdauer
empfohlen. Wird eine längere Zeitdauer verwendet, ist ebenfalls eine größere Drossel
erforderlich. Die Verwendung einer größeren
Drossel ist mit zwei Nachteilen verbunden.
Der erste ist die physische Größe der Drossel.
Eine größere Drossel macht möglicherweise
ein größeres Gehäuse erforderlich. Der zweite
ist der Gleichstromwiderstand der Drossel. Bei
einem gegebenen Gehäuse geht mit einer Erhöhung der Induktivität auch eine Erhöhung
des Gleichstromwiderstands einher. Vergrößert man das Gehäuse, nimmt der Gleichstromwiderstand ab.
Die Auswahl von effizienten
DC-DC-Wandler-Bausteinen:
• Auswahl der Drossel – neben den bereits
erwähnten Drossel-Parametern gibt es noch
eine Reihe weitere, die berücksichtigt werden
müssen. Am kritischsten ist der Sättigungsstrom der Drossel. Wenn der Sättigungsstrom
60
• Auswahl der Diode – vier Parameter müssen
bei der Auswahl einer Diode für einen DC-DCWandler berücksichtigt werden. Erstens muss
die Durchbruchspannung der Diode in Sperrrichtung höher sein als die Spannung am Ausgang des Wandlers. Zweitens muss die Diode
mit dem Vorwärtsstrom arbeiten können, der
von der Spule durch die Diode geleitet wird.
In einem DC-DC-Wandler kann dieser Strom
(IPK) mehrere hundert mA hoch sein. Drittens
sollte die Vorwärtsspannung so klein wie
möglich sein, um die Diodenverluste in Durchlassrichtung zu minimieren. In manchen Anwendungen können sogar Schottky-Dioden
genutzt werden, weil sie eine viel kleinere
Vorwärtsspannung haben. Und viertens wählt man eine Diode mit einer kurzen Sperrverzögerungszeit, wird die Ausgangsladung
begrenzt, die wieder an den Eingang zurückfließt, wenn die Diode vom stromführenden in
den nicht stromführenden Zustand schaltet.
• Auswahl des Transistors – der gewählte
Transistor muss Drain-Source-Spannungen
aushalten können, die auftreten, wenn sich
der Drossel durch die Diode entlädt. Der NennDrainstrom des Transistors muss größer sein
als der Spitzendrosselstrom. Um Schaltverluste zu minimieren, muss ein optimaler Transistor auch niedrige Gate-Source- und DrainSource-Kapazitäten haben.
Beispiel für
verbesserte Wirkungsgrade
in einem DC-DC-Wandler
Abbildung 5 zeigt den Wirkungsgrad als Funktion des Laststroms für einen DC-DC-Wandler
auf Basis des PWM-Controllers DS1875. Der
Graph zeigt, dass bei einer Erhöhung der Induktivität, die den Arbeitszyklus verlängert,
die Effizienz verbessert wurde. Er zeigt ebenfalls, dass eine längere Schaltperiode eine
höhere Effizienz bewirkte, da die Schaltverluste vermindert wurden. Der PWM-Controller
DS1875 hat vier Schaltfrequenzen, mit denen
er arbeiten kann: 131,25 kHz, 262,5 kHz, 525
kHz und 1050 kHz. Dies ermöglicht einen besseren Wirkungsgrad des Wandlers. Der Beispielwandler nutzt einen BSSS123 n-KanalFET, eine 1N4148-Diode und einen 0,1-µFAusgangskondensator. (st)
■
Infineon Technologies
Synchroner DC/DCBuck-Controller
Der TLF51801ELV von Infineon Technologies ist ein synchroner StepDown-Regler mit einstellbarer Ausgangsspannung.
D
er Baustein kann einen Ausgangsstrom von 2 bis 10 A bereitstellen,
indem er externe High-Side- und
Low-Side-Schalter mit Tastverhältnissen von
über 99% treibt. Die Schaltfrequenz kann innerhalb von 100 bis 700 kHz eingestellt werden. Der Baustein lässt sich auch mit einem
externen Taktgeber synchronisien. Er verfügt
darüber hinaus über eine ENABLE-Funktion
für sehr geringe Abschaltströme und bietet
zwei verschiedene Optionen für die Strombegrenzung (über einen externen Nebenschlusswiderstand oder über den RDSon des
High Side-Schalters).
Der TLF51801ELV ist in einem thermisch verbesserten, RoHS-kompatiblen SSOP-14-Ge-
häuse mit Exposed Pad erhältlich. Er zeichnet
sich durch folgende Hauptmerkmale aus:
• einstellbare Ausgangsspannung (±2%)
• treibt zwei externe Schalter (n/n-MOS)
für Lasten von 2 A bis 10 A
• Tastverhältnis von über 99%
• zwei Optionen für die Strombegrenzung:
• ENABLE für niedrigen Abschaltstrom
(Iq unter 2 µA)
• Schaltfrequenz: 100 bis 700 kHz
• Sync-Eingangs- und Frequenzanpassung
Die Bausteine können in Infotainment und
Cluster-Anwendungen sowie als GeneralPurpose-Versorgung oder Vorregler eingesetzt
werden. (st)
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SiC-TeChnologie der 2. generaTion
Hohe Effizienz
Hohe Zuverlässigkeit
Geringer Stromverbrauch
Als führender Anbieter zuverlässiger SiC-Technologie bietet ROHM Semiconductor eine umfassende
Palette hochzuverlässiger und hocheffizienter SiC-Leistungshalbleiter der zweiten Generation an – ausgelegt
für hohe Schaltfrequenzen, hohe Temperaturen sowie hohe Spannungsfestigkeit.
SiC-Schottkydioden der 2. Generation
SiC-MOSFETs der 2. Generation
Niedrigster VF-Wert
auf dem Markt
SCT-Serie
Gehäuse
600V
1200V
Typ
TO220AC
6 - 20A
5 - 20A
TO220FM
6 - 20A
TO247
20, 40A
D2PAK
6, 8, 10A
10 - 40A
SCH-Serie
SCT2080KEC
SCH2080KEC
Gehäuse
TO247
TO247
BVDSS
1200V
1200V
RON
80 mΩ
80 mΩ
SBD
integriert
100% SiC Power Modul
BV DSS
ID max
Typ
Topologie
1200V
120A
BSM120D12P2C005
2 in 1
1200V
180A
BSM180D12P2C101
2 in 1, nur MOS
Abmessungen
(ohne Anschlüsse):
45,6 x 122 x 17 mm
Anwendungsbeispiel:
Der isolierte Gatetreiber BM6103FV-C von ROHM ermöglicht zusammen mit den SiC-MOSFETs und SiCSchottkydioden von ROHM das Design kompakterer, sparsamer Wechselrichter mit hohen Schaltfrequenzen.
Technology for you
Sense it
Light it
Power it !
www.rohm.com/eu
Silica|DC/DC-Wandler NXP Semiconductors
Höchste Effizienz
und Leistungsdichte
für Gleichstrombereitstellung
Angefangen bei batteriebetriebenen Geräten bis hin zu industriellen Anwendungen besteht
der fortwährende Kampf um die
Erhöhung von Energieeffizienz
und Zuverlässigkeit. NXP Semiconductors hat mehrere Durchbrüche sowohl in der Silizium- als
auch der Gehäusetechnik erzielt,
die aus Sicht des Systems zu
einem deutlich besseren Gesamtwirkungsgrad führen.
Von Philippe Rangheard *
L
DOs werden weithin für ihre rauscharmen Leistungen in HF- oder Sensor-Anwendungen geschätzt, in denen Kleinsignale gemessen werden, die nicht durch
die Stromversorgung gestört werden sollten.
NXP bietet eine große Auswahl an LDOs mit
hohem PSRR (LD68x5), niedriger DropoutSpannung (LD68x6) und kleinen Ruheströmen (LD68x3), die sich in unterschiedlichen
Lastpunktkonfigurationen einsetzen lassen.
Andere einfach zu implementierende Lösungen sind integrierte DC/DC-Wandler. So
bietet zum Beispiel die NXP-DC6M4/5/6-Familie den Vorteil eines Hochfrequenz-DC/DCAbwärtswandlers (6 MHz) mit hoher Leistung
und geringer Baugruppengröße (1,0 x 1,4
mm). Die 6-MHz-Schaltfrequenz gestattet
die Nutzung von kleinen Induktoren mit nur
470 nH, um Platinenplatz einzusparen. Ein
weiterer Hauptvorteil besteht in den sehr ge-
* Philippe Rangheard ist EMEA Regional Marketing
Director Automotive & Standard PowerMOS NXP
Semiconductors
62
ringen Ausgangsspannungs-Welligkeiten von
nur 7 mV.
Die höchste Optimierungsstufe für Schaltnetzteile ruht auf diskreten HochleistungsPowerMOS. Die größte Herausforderung besteht hierbei in der Reduzierung des Leitungswiderstands (RDSon), der Gate-Ladung sowie
der parasitären Induktivitäten. NXP hat auf
diese Anforderungen bereits mit den Produktfamilien Trench6 und NextPower reagiert, die
sich schon seit Jahren durch einen RDSon von
weniger als 1 mOhm auszeichnen. Die Trench6-Siliziumtechnologie von NXP ermöglicht
einen RDSon von typisch 0,9 mOhm bei Vgs =
10 V (PSMN1R2-25YL). Die neuesten Bausteine eignen sich hervorragend für eine Reihe
anspruchsvoller Anwendungen, einschließlich
Motorsteuerung und hocheffiziente Synchron-Abwärtswandler. Trench 6 zeichnet
sich darüber hinaus durch eine niedrigere
Gate-Ladung (Qg) und einen niedrigeren
Gate-Widerstand (Rg) aus. Hierdurch eignen
sich die Bausteine für effiziente Power-Management-Anwendungen mit Schaltfrequenzen bis 1 MHz.
so dass Typen mit einem RDSon von weniger
als 1 mOhm sowohl bei 25 V als auch bei 30
V zur Verfügung stehen.
Als einen weiteren Schritt stellt NXP nun die
ersten drei Bausteine (PSMN4R0-30YLD, PSMN6R0-30YLD, PSMN6R1-30YLD) einer neuen Superjunction NextPower-Trench-9-Plattform vor, deren Zellenabstand um über 10%
gegenüber der letzten Plattform reduziert
wurde. Der optimierte Zellenabstand und das
RESURF (REduced SURface Field) haben darüber hinaus die Gate-Ladung verbessert, während eine intelligente Prozessabstimmung zur
Absorption parasitärer Induktivitätsenergie
eine Optimierung der Ausgangskapazität und
eine Reduzierung von Schaltstromspitzen ermöglicht.
Die NextPower-Familie bietet eine einzigartige Balance zwischen den sechs wichtigsten
Eigenschaften, die für die modernsten Designs
mit hohen Wirkungsgraden und hoher Zuverlässigkeit entscheidend sind.
Darüber hinaus wurden Schottky-ähnliche
Leistungen gemessen, ohne dass die mit der
Schottky-Technologie verbundenen Nachteile
zum Tragen kommen. Diese drei neuen Produkte sitzen im LFPAK56-Gehäuse (PowerSO8) mit Kupferclip, das sich durch verringerte Abstände und parasitäre Eigenschaften
auszeichnet, während gleichzeitig eine homogene Stromverteilung realisiert wurde. Außerdem wurde die thermische Leistungsfähigkeit
im Vergleich zu anderen PowerSO8-Gehäusen,
die Draht- oder Bändchen-Bonden nutzen,
deutlich verbessert.
Mehr Leistung, weniger Kompromisse. Viele
Hersteller konzentrieren sich nur auf die Optimierung des Leitungswiderstands und der
Gate-Ladung. Wenn die Gate-Ladung sinkt,
werden die Verluste aufgrund von Qoss und
Qgd signifikanter. NextPower basiert auf einer
Superjunction-Technologie, um eine optimale
Balance zwischen niedrigem RDSon, niedriger
Qoss, niedriger Qg (total) und Qgd für eine
optimale Schaltleistung zu erreichen. NextPower bietet einen sehr großen SOA-Bereich
(Safe Operating Area), während eine niedrige
Qoss die Verluste zwischen Drain und Source
reduziert. NextPower zeichnet sich darüber
hinaus durch einen sehr niedrigen RDSon aus,
Insgesamt ermöglicht die aktuellste NXPPlattform eine Reduzierung der VDS-Impulsspitzen um mehr als 20% und der VGSStörimpulse um mehr als 70%. NXP wird in
den nächsten Monaten zahlreiche weitere
Produkte mit dieser neuen Technologie (wie
z.B. den LFPAK33) und Spannungsbereichen
von 25 bis 40 V vorstellen. Darüber hinaus
wird parallel dazu eine weitere HV-Plattform
(NextPower T8 – 100 V) entwickelt, mit der
das derzeitige Produktspektrum mit Bausteinen für höhere Spannungen erweitert wird,
wobei ein RDSon von ca. 3 bis 5 mOhm und
eine geringe Sperrverzögerungsladung je nach
Gehäuse möglich sind. (st)
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Renesas Electronics
Schnelle POL-Wandler
im kleinen Gehäuse
Renesas Electronics hat die RAA20770X-Serie von Mini-POL-Wandlern (Point of Load)
für ein großes Anwendungsspektrum entwickelt, einschließlich PCs, Server,
Industrieapplikationen, Büroautomatisierung und Netzwerkausrüstung. Die RAA20770XSerie erzielt branchenweit den höchsten Grad an Miniaturisierung und die höchste
Leistungsdichte.
D
ie sechs neuen Bauteile der
RAA20770X-Serie ermöglichen eine
hocheffiziente
Stromumwandlung
bei normaler Last – typ. 90 % der Zeit –, sie
vollziehen aber auch schnell die häufigen
Wechsel in den Low-Power-Mode. Somit reduzieren sie den Gesamtstromverbrauch im
System. Darüber hinaus sind die Bauteile der
RAA20770X-Serie rund 75% kleiner als frühere Renesas-Produkte. Sie sitzen in so genannten Wafer-Level-Chip-Size-Gehäusen,
die mehr oder minder die gleiche Größe haben wie der Die selbst. Da keine Drahtverbindungen im Gehäuse notwendig sind, sinkt
der Verdrahtungswiderstand, was ebenfalls
seinen Teil zu einer effizienteren Spannungsumwandlung beiträgt. Die RAA20770X-Serie
sind die ersten Bauteile mit diesem hohen
Maß an Integration in einem derart kleinen
Gehäuse.
• Sie tragen dank ihrer um 75% reduzierten
Fläche zur System-Miniaturisierung bei. So
hat z.B. der RAA207701GBM mit einem StromRating von maximal 10 A eine Gehäusegröße
von nur 2,7 x 3,4 mm. Darüber hinaus ist der
Wärmewiderstand zwischen Gehäuseoberfläche und Chip-Junction-Bereich bei lediglich
1 K/W und ermöglicht so in Verbindung mit
einem Kühlkörper und Luftstrom ein Design
mit hoher Wärmeabstrahlung.
• Längere Batterielaufzeiten: Bauteile der
RAA20770X-Serie nutzen eine Constant-onTime-Steuerung. In stromsparenden Betriebsmodi mit geringen Lasten zeichnen sich die
Bausteine durch eine Leistungsaufnahme von
nur 0,5 µW im Standby-Modus aus. Die Constant-on-Time-Steuerung bietet auch den
Vorteil einer schnellen Reaktionsfähigkeit.
Zum Beispiel kann der Wandler auch dann
sofort reagieren, wenn schnelle Stromanstiege auftreten. Das ist beispielsweise der Fall,
wenn ein elektronisches Gerät von einem
energiesparenden Betrieb in den Normalbetrieb wechselt. Dann reagiert der Wandler
sofort, indem er die Betriebsfrequenz erhöht.
• Einfache Entwicklung: Bauteile der
RAA20770X-Serie sind mit den für POL-
Wandler erforderlichen Schutzfunktionen
gegen beispielsweise Überstrom, Überspannung und Überhitzung ausgestattet. Dank der
monolithischen Integration ermöglichen diese Bauteile sichere, flexible und zuverlässige
Stromversorgungen mit einer minimalen Anzahl externer Komponenten, was die Entwicklung erleichtert und die Bauteillisten verkürzt.
Darüber hinaus können die Ausgangsspannung und die Betriebsfrequenz verändert werden, um sie an die Anwendungen anzupassen,
für die die Bauteile eingesetzt werden, sodass
die nötige Flexibilität für ein großes Anwendungsspektrum gegeben ist.
• Stromversorgung mit nur einer Spannung:
Die neuen Bauteile RAA207703GBM,
RAA207704GBM und RAA207705GBM enthalten einen 5-V-LDO, der die vom Controller
der Stromversorgung intern benötigten 5 V
bereitstellen kann, so dass keine externe
Spannungsversorgung mehr nötig ist. So kann
das System mit nur einer einzigen Spannung
arbeiten, die es zum Beispiel aus einer 12-VVersorgung bezieht.
Neben dem Controller und Treibern sind auf
der RAA20770X-Serie auch zwei LeistungsMOSFETS auf dem Chip integriert, die ideal
für POL-Wandler sind, die eine Eingangsspannung von 5 V oder 12 V auf 1 V oder 3,3 V
umwandeln. Die Bausteine können eine hocheffiziente Stromumwandlung vom Niederstrombereich zum Hochstrombereich realisieren – mit einem Wirkungsgrad von 89% bei
10 mA, 95% bei 4 A und 92% bei 10 A. Diese
Effizienz bei der Stromumwandlung trägt zu
einem niedrigeren Gesamtstromverbrauch der
Endprodukte bei. (st)
■
SJ MOSFET und Mini-POL erhöhen den Wirkungsgrad
und senken die Kosten
Quelle: Renesas Electronics
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Silica|DC/DC-Wandler Microchip Technology
Vereint das Beste zweier Welten
Mithilfe eines traditionellen analogen Regelkreises regelt der MCP19111
von Microchip Technology die Leistung eines synchronen DC/DC-Abwärtswandlers mit einem Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 32 V.
Darüber hinaus ist auf dem Chip ein Core aus Microchips PIC-MCU-Familie
der Mittelklasse integriert. So kann der Entwickler die Betriebsparameter
wie Start-up- und Shut-down-Profile, das Maß an Schutz und
Fehlerbehandlungsprozeduren seinen Bedürfnissen anpassen.
D
ie MCP19111-MCU ist in einem platzsparenden 28-Pin-QFN-Gehäuse mit
einer Größe von 5 x 5 mm untergebracht und mit einem synchronen MOSFETTreiber, einem Linearregler und 4-KW-Flash
(KWords) ausgestattet. Für ein vollwertiges
Power-Management-System hat Microchip
eine schnelle MOSFET-Reihe entwickelt, die
für die Nutzung mit dem MCP19111 optimiert wurde.
Zu der Reihe gehört die MCP870xx-Familie
mit 25-VDSS-Power-MOSFETs (Logic-Level),
die verschiedene Verhältnisse zwischen niedrigstem RDSon (Leitungswiderstand) und gesamter Gate-Ladung (Qg) abdeckt und somit
die besten FOM-Werte (Figure of Merit) bietet, abhängig von der Topologie, in der der
Schalter verwendet wird. Diese MOSFETs stehen in einem 5 x 6 mm und einem 3,3 x 3,3
mm großen 8-Pin-PDFN-Gehäuse zur Verfügung und entsprechen somit dem sehr kleinen
Formfaktor des MCP19111-Leistungsreglers.
Dank der digital gesteuerten Überwachung
des Power-Managements ist der Baustein
über die Registereinstellungen des Controllers
konfigurierbar, so dass externe Hardware weder hinzugefügt noch modifiziert werden
muss. Die 8-Bit-MCU des MP19111 mit geringem Energiebedarf führt mit Leichtigkeit alle
nötigen Überwachungsfunktionen aus. Da die
Überwachung programmierbar ist, kann der
Entwickler für seinen Regler die Feedbackund Regelsignale skalieren, kalibrieren und
feineinstellen, den Wirkungsgrad optimieren,
den analogen Bereich schützen und einige
etablierte PMBus-Befehle nutzen.
Interne Hilfsspannungsversorgung
Abb. 2 zeigt ein Beispiel des MCP19111 in einem synchronen Abwärtswandler für Ausgangsspannungen von 0,8 bis 3,3 V und bis zu
Abb. 1. Das Blockschaltbild des MCP19111 zeigt
den integrierten MCU und Regler-IC.
Quelle: Microchip Technology
25 A Ausgangsstrom. Die eine 5-V-Spannung
versorgt die internen Analogschaltungen. Am
VDD-Pin sitzt die zweite 5-V-Spannungsversorgung, die die MCU versorgt. Dadurch reduzieren sich die Gesamtkosten und der Platinenplatz, der benötigt wird, wenn MCUs in
Leistungswandlern verwendet werden.
MOSFET-Auswahl und Topologie
Die internen Gate-Treiber können zwei externe N-Channel-MOSFETs in einer synchronen
Buck-Topologie treiben. Das Gate des Floating-MOSFETs wird mit dem HDRV-Pin verbunden. Die Source des MOSFETs wird mit
dem PHASE-Pin verbunden. Der HDRV-PinQuelle- und Senkstrom ist einstellbar. Ein gesetztes Bit in einem internen Register erlaubt
der High-Side einen Quelle/Senkstrom von 2
A peak. Wird das Bit gelöscht, beträgt der
Quell- und Senk-Spitzenstrom 4 A. Das LowSide-MOSFET-Gate ist mit dem LDRV-Pin verbunden, die Source hängt am PGND-Anschluss.
Die Treiberstärke des LDRV-Pins ist nicht konfigurierbar. Dieser Pin kann einen SourceStrom von 2 A ziehen, der Spitzenwert für den
Senkstrom liegt bei 4 A. Das hilft dabei, den
Low-Side-MOSFET ausgeschaltet zu halten,
wenn der High-Side-MOSFET einschaltet. Der
erforderliche Strom, um den externen MOSFET
zu treiben, berechnet sich wie folgt:
IDRIVE = [ QG(HIGH) + QG(LOW) ] × fSW
mit
IDRIVE = Treiberstrom in A, QG(HIGH) = gesamte Gate-Ladung des High-Side-MOSFET in nC,
QG(LOW) = ges. Gate-Ladung des Low-SideMOSFET in nC, fSW = Schaltfrequenz in MHz
Microchip bietet ein kostenloses Excel-basiertes Kalkulations-Tool zur Bestimmung der
gesamten Verluste der synchronen Buck-
64
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Abb. 2. Typische MCP19111-Anwendung betreibt
zwei externe Synchron-MOSFETs.
Quelle: Microchip Technology
Totzeit manipuliert, während das Tastverhältnis überwacht wird. Abbildung 3 zeigt ein
typisches Testergebnis, bei dem das Tastverhältnis (rote Linie) bei etwa 8 ns ein Minimum
zeigt. Mit diesen Einstellungen zieht die Topologie die geringste Energiemenge vom Bus,
um eine konstante Ausgangsleistung bei
höchster relativer Effizienz zu gewährleisten.
Links davon steigt das Tastverhältnis, da die
Schalter langsam in einem unbedenklichen,
aber klar messbaren Shoot-Through-Zustand
(beide MOSFETs gleichzeitig geschlossen) laufen. Auf der rechten Seite wird die Totzeit zu
lang, und die Kern- und Freilaufdiodenverluste (bzw. die Body-Diodenverluste des LowSide-MOSFET) nehmen zu.
Wandler-Topologie, so dass das Verhältnis
zwischen Durchlasswiderstand RDS(on) und
gesamter Gate-Ladung QG definiert werden
kann sowie die gesamte erreichbare Effizienz
hinsichtlich Kern- und ESR-Verlusten.
Optimierung des Wirkungsgrads
Es kommt zu einer Totzeit des synchronen
MOSFET, wenn ein Treibersignal auf »Low« und
das komplementäre Treibersignal auf »High«
geht. Der MCP19111 kann die Totzeiten der
High-Side- sowie der Low-Side-Treiber unabhängig voneinander anpassen, einfach über
Registereinstellungen, die 4-ns-Schritte ermöglichen. Der MCP19111 kann den ganzen
Synchrontreiber ausschalten oder lediglich
eine Seite des Synchrontreibers. Eine Registereinstellung schaltet den gesamten Synchrontreiber aus, wenn die HDRV- und LDRVSignale auf »Low« und der PHASE-Pin auf
Floating gesetzt sind. Wird das Disable-Bit
gelöscht, ist ein normaler Betrieb möglich.
Diese Flexibilität kann zur Optimierung der
Gesamteffizienz des Wandlers bei unterschiedlichen Laststufen genutzt werden.
Optimierung des Gesamtwirkungsgrads
Eine spezifische Funktion in der Peripherie, die
als »Relative Efficiency Measurement« bezeichnet wird, kann über Registereinstellungen aktiviert werden. Bei Aktivierung gibt die
Peripherie einen Wert des aktuellen Tastverhältnisses des High-Side-Schalters an. Dieser
Wert kann zur Optimierung der Totzeit zwischen High- und Low-Side-Schalter genutzt
werden. So lassen sich die Kern- und Diodenverluste auf ein Minimum reduzieren.
Mit Hilfe dieser Technik sollen interne Daten
über Eingangsspannung, Ausgangsspannung
und Ausgangsstrom zur Bestimmung des
Dauerbetriebs verwendet werden. Wenn die
Betriebsbedingungen konstant sind, wird die
Die HDRV/LDRV-Schaltfrequenz kann über die
Register eines digitalen Timer-Moduls von
100 kHz bis 1,6 MHz eingestellt werden. Die
Registereinstellungen bestimmen außerdem
die Ausgangsspannung, so dass externe Widerstandsteiler zur Einstellung der Ausgangsspannung überflüssig sind. Des Weiteren enthält der MCP19111 einen Differentialverstärker, der für eine Fernmessung der Ausgangsspannung verwendet wird, sowie Skalierungsund Kalibrierungsregister, um Toleranzen zu
eliminieren.
Kompensation
Eine Registereinstellung bestimmt die Kompensations-Nullfrequenz und die Verstärkung
des Regler-ICs. Abb. 3 zeigt das interne Kompensationsnetz mit dem Differentialverstärker
für eine Ausgangsspannungsrückführung mit
den +VSEN- und -VSEN-Pins sowie einem
programmierbaren internen Rampengenerator für die Slope Compensation. (st)
■
Optimierung bei geringer Last
Bei geringen Lasten übersteigt die Energie für
das Gate des Low-Side-MOSFETs die Einsparungen, die der Ersatz der Freilaufdiode durch
den MOSFET erbracht haben. Unter diesen
Bedingungen kann der Low-Side-Treiber ausgeschaltet werden und nur die Body-Diode
des Schalters für die Gleichrichtung genutzt
werden.
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Abb. 3. Ergebnisse eines Einzeltotzeit-Optimierungsdurchlaufs mittels »Relative Efficiency Measurement«.
Quelle: Microchip Technology
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65
Silica|DC/DC-Wandler Analog Devices
isoPower bietet Vorteile
für isolierte DC/DC-Wandler
Viele elektronische Systeme nutzen eine galvanische Trennung, um den
internationalen Sicherheitsanforderungen zu entsprechen oder um die Leistung
zu verbessern, indem Masseschleifen (Brummschleifen) und Rauschen eliminiert
werden. Die Trennung hat aber Einfluss auf die Stromverteilung. Wenn nicht auf
der isolierten Seite eine Batterie verfügbar ist, muss dieser Abschnitt des
Schaltkreises mit Strom versorgt werden.
Von David Carr *
S
obald der Isolationsbedarf festgelegt
wurde, muss der Entwickler eine Wahl
treffen. Er kann einen einfachen DC/
DC-Wandler mit offenem Regelkreis wählen,
wenn Leistung und Effizienz nicht wichtig
sind. Das lässt sich einfach und mit geringen Kosten realisieren, indem eine Spannung
über einen Trenntransformator geleitet, dann
gleichgerichtet und geregelt wird. Dieser Ansatz führt jedoch nicht zu guten Leistungen
im Sinne der Lastregelung, Leistungsregelung
und Temperaturvarianzen. In vielen Fällen
wird eine Architektur mit geschlossenem Regelkreislauf gewählt, um die höchstmögliche
Leistung zu erzielen.
Traditionell würde ein diskreter DC/DC-Wandler mit geschlossenem Regelkreis mithilfe
eines Trafos und eines Optokopplers realisiert,
der Feedback von der Sekundär- an die Primärseite gibt (Abbildung 1, rechts). Dieser
Ansatz bringt aber zahlreiche Herausforderungen mit sich, hauptsächlich aufgrund der
Variabilität des Gleichstrom-Übertragungsverhältnisses (CTR) des Optokopplers. Eine
weitere Schwierigkeit besteht in der Notwendigkeit, dass das Design den Sicherheitsvorschriften genügen und eine Typprüfung entsprechend relevanter internationaler Sicherheitsspezifikationen durchlaufen muss. Dies
birgt auch bei problemlosem Ablauf weitere
Kosten und verlängert die Zeit bis zur Produkteinführung. Falls die Typprüfung nicht
erfolgreich ist, können sogar langwierige
Redesign-Zyklen notwendig sein.
* David Carr ist Applications Manager,
Digital Isolation Products, Analog Devices
66
Abbildung 1: Unterschiedliche Ansätze für isolierte DC/DC-Wandler Eine Lösung dieser Probleme wäre ein isoliertes DC/DC-Wandler-Modul (Abbildung 1, Mitte). Solche Module bieten festgelegte Leistungen und sind oftmals gemäß relevanter Sicherheitsstandards zertifiziert. Sie brauchen
üblicherweise keine externen Bauteile wie
Ableitkondensatoren, aber die Vorteile bedingen eine größere Leiterplattenfläche.
Analog Devices ist in der Lage, Lufttrafos mit
CMOS- und BiCMOS-Prozessen zu integrieren
und so isoPower-isolierte DC/DC-Wandler
herzustellen (Abbildung 1, links), die zahlreiche Vorteile im Vergleich zu diskreten Designs
und Modulen bieten. Der offensichtlichste
Vorteil besteht in der Leiterplattenfläche, wie
in Abbildung 1 dargestellt. Die Abbildung
zeigt aber nicht, dass die Bausteine der
ADuM541x-Familie darüber hinaus vier getrennte Datenkanäle in einem kleinen 20-Lead
SSOP-Gehäuse enthalten. Das isoPower-DC/
DC -Wandler-Portfolio verfügt in Hinblick auf
Sicherheitsanforderungen über diverse Zertifizierungen auf Komponenten und Systemebene (z.B. UL 1577, IEC 60950 und IEC 60747-
Quelle: Analog Devices
5-2). Somit kann sich der Entwickler sicher
sein, dass das endgültige System die erforderlichen Typprüfungen bestehen wird. Dass sich
das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis mit
der Zeit und der Temperatur ändert, muss bei
Eingangs- und Ausgangsschnittstellen berücksichtigt werden. Im Vergleich dazu gewährleisten die isoPower-DC/DC-Wandler
eine gleichbleibende Leistung über Temperatur und Lebensdauer. Außerdem sind sie viel
einfacher anzuschließen. Auch die Zuverlässigkeit ist deutlich verbessert, da die genutzten Siliziumprozesse bereits ausgereift sind
und Ausfallraten (FIT) im einstelligen Bereich
liegen.
Analog Devices führt ein komplettes Portfolio
an isoPower-Produkten, das Ausgangsleistungen von 50 mW bis 2,5 W abdeckt. Es stehen
drei unterschiedliche Familien mit integrierten Lufttrafos (ADuM5xxx-Teilenummern) zur
Verfügung, die Ausgangsleistungen von 50
mW bis 500 mW bieten. Die ADuM347x-Familie nutzt einen externen Trenntrafo, um
höhere Leistungsniveaus zu erreichen. (st) ■
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www.silica.com/power
_0AOSV_Renesas_smt_silica.pdf;S: 1;Format:(230.00 x 297.00 mm);17. May 2013 11:37:39
Renesas Power Solutions –
The Smart Choice for Efficiency
Mit der “Deep Trench” Technologie von Renesas stellt sich eine neue “Super Junction” MOSFET Generation mit
wegweisenden FOM-Werten (Figure of Merit) im Kleinstformat vor. Für ein Höchstmaß an Effizienz bei einem
Mindestmaß an Platzbedarf. Kompromisslos erste Wahl für die Zukunft der Stromversorgung, für erneuerbare Energien
und Motorsteuerungen.
Super Junction Power MOSFET
Maximum an Effizienz: Das neue Super Junction
Power MOSFET der 600 V / 650 V Klasse
Mit dem SJ Power MOSFET und der von Renesas
entwickelten „Deep Trench“ Technologie lassen sich
endlich extrem niedrige Rds(on)-Werte und eine
beispiellos geringe Gateladung (Qg) verwirklichen.
Das Resultat sind bahnbrechende FOM-Werte (Figure
of Merit) mit nur minimalen statischen Einbußen
und Schaltverlusten. Ideal für ebenso leichte wie
kompakte, effiziente und weniger hitzeanfällige
Schalt-Anwendungen.
• Standard-Industriegehäuse, THD und SMD
• Stromstärken 6.1A bis 55A
• Rds(on) bis zu einem Minimum von 45 mOhm (typ.)
www.renesas.eu/sjmosfet
Eigenschaften und Anwendungen
SJMOSFET
Besondere Eigenschaften
Typ
Anwendungen
RJK Serie
extrem niedriger Rds(on)
niedrige Gateladung (Qg)
Stromversorgung/-konverter,
PFC, Schweißgeräte
RJL Serie
extrem niedriger Rds(on)
niedrige Gateladung (Qg)
Schnelle Fast-Recovery-Diode (niedrige trr, Qrr)
Stromversorgung, UPS,
Inverter, Telekommunikation,
Motorantrieb
Schalttopologien
SchnellundeinfachzumultimativenIGBToderPowerMOSFET–idealfürdasindividuelle
Schaltkonzept. Ausgehend von der gewünschten Schalttopologie ermöglicht das neue
Online-Produktselektions-Tool die Auswahl des jeweils geeigneten Artikels:
www.renesas.eu/designtopologies
Silica|DC/DC-Wandler STMicroelectronics
Effiziente Produkte
für alle Anforderungen
im Power-Management
STMicroelectronics bietet eine
Vielzahl von Produkten für das
Power-Management an.
Dazu zählen auch monolithische
DC/DC-Wandler und DC/DCController.
D
as breite Produktspektrum umfasst
hoch spezialisierte Produkte für alle
Marktanforderungen:
HV-Technik,
zusammen mit hoher Zuverlässigkeit und
Robustheit für Anwendungen in der Industrie
und im Automobilbereich, kompakt und extrem effizient bei jedem Lastniveau, optimale
Leistung für Konsum- und Computerprodukte.
Die Bausteine verfügen über umfassende
Schutzfunktionen (Überstrom, Überspannung,
Übertemperatur), verlängern so die MTBF
(Mean Time Between Failures: mittlere Ausfallzeit) und reduzieren die Zahl der benötigten externen Komponenten.
Den Entwicklern stehen verschiedene Gehäuse-Optionen offen, die sich alle durch Kompaktheit und hohe Wärmeleistung auszeichnen und so in den unterschiedlichen Anwendungsbereiche eingesetzt werden können.
Technische Dokumente zu Referenzdesigns
sind auf www.st.com abrufbar. Zur Unterstützung der IC steht in Form der eDesignSuite
eine Simulationssoftware auf www.st.com/
edesignsuite zur Verfügung: Nach Eingabe der
Spezifikationen wird die passende ST-Lösung
komplett mit den externen Komponenten
(Stückliste) angezeigt, und der Endanwender
kann den gesamten Schaltkreis simulieren.
Die monolithischen Schaltwandler von ST mit
integrierten Schaltern sind für Anwendungen
mit Eingangsspannungen von 3,3 bzw. 5 V
(logischer Bus) über 12 V (Consumer-Bus) bis
hin zu 24 V (Industriebus) geeignet und liefern
Stromstärken bis zu einigen Ampere.
DC/DC für Industriebus-Anwendungen
Nach dem großen Erfolg der L597x-Familie
(asynchron, 36 V, bis zu 3 A, AutomotiveVariante: A597x) im Industrie- und Automobilmarkt bringt ST neue Entwicklungen auf
den Markt. Dazu zählen die asynchronen 38V2/3A-DC/DC-Wandler aus der L7985/6-Serie
für industrielle Anwendungen. Bei den Bausteinen ist die Schaltfrequenz zwischen 250
kHz und 1 MHz einstellbar. Dank Synchronisierbarkeit und externer Kompensation sind
die Bausteine sehr flexibel. Sie sind zwar für
die Abwärtswandlung optimiert, können aber
ohne weiteres auch als Buck/Boost-Wandler
(positiv und negativ) fungieren. Aufgrund des
P-Kanal-MOS sind Bootstrap-Kondensatoren
überflüssig, und ein Keramik-Ausgangskondensator kann verwendet werden, was für ein
noch kompakteres Format sorgt. Auch in diesem Fall gibt es eine Version für den Automobilbereich (A7985A/6A).
eDesign-Umgebung
Quelle: STMicroelectronics
68
Darüber hinaus hat ST auch den ST1S14 auf
den Markt gebracht. Dabei handelt es sich um
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DC/DC-Wandler für LEDs
ST führt auch DC/DC-Wandler für LEDs im
Produktspektrum, das heißt DC/DC-Wandler
mit hochauflösender PWM-Dimmung und
niedriger Messspannung zur Verringerung der
Verlustleistung. Bei den LED2000/1 handelt es
sich um synchrone Abwärts-Schaltregler, die
als genaue Konstant-Stromquelle gedacht
sind und in Anwendungen wie LED-Taschenlampen, Ersatzprodukte für MR16-Glühbirnen
oder in der Gebäudebeleuchtung zum Einsatz
kommen. Sie ermöglichen den Aufbau eines
Abwärts-Schaltreglers mit konstanter Frequenz und Current-Mode-Architektur, der
Eingangsspannungen von 3,5 bis 18 V verträgt
und einen präzise geregelten Ausgangsstrom
von bis zu 3 A (LED2000) bzw. 4 A (LED2001)
liefert, wodurch er sich hervorragend für
Hochleistungs-LED eignet.
einen asynchronen 48V-3A-DC/DC-Wandler
für den Industriebereich, der sich hervorragend für Anwendungen eignet, in denen hohe
Eingangsspannungen höhere Margen erforderlich machen. Die hohe Schaltfrequenz (805
kHz) und die interne Kompensation sorgen für
größtmögliche Kompaktheit der Gesamt-Anwendung und minimieren die Materialkosten.
Der Power-Good-Ausgang bietet die Möglichkeit zur Sequenzierung und zur Anbindung an
externe Logik-ICs.
dem einstellbaren Sanftanlauf und dem Power-Good-Ausgang mit einstellbarer Verzögerung. Dieser Ausgang dient auch zur Sequenzierung und zur Anbindung an externe Logik.
Bei der L698x-Familie handelt es sich um synchrone 38V-DC/DC-Wandler für industrielle
Anwendungen. Das erste Mitglied dieser Familie, der L6986 (2 A), soll im dritten Quartal
2013 verfügbar sein. Die Synchrongleichrichtung mit niedrigem Leitungswiderstand RDSon
(HS: 180 mΩ; LS: 150 mΩ) sorgt für einen
hohen Wirkungsgrad bei Volllast. Der Baustein
kann so konfiguriert werden, dass er im LCModus (Low Consumption Mode) arbeitet, so
dass auch ein hoher Wirkungsgrad bei geringer Last möglich ist. In diesem Betriebsmodus
zeichnet sich der Baustein durch einen extrem
geringen Ruhestrom aus (30 µA). Der VBIASEingang ermöglicht einen noch höheren Wirkungsgrad bei kleinen Lasten.
DC/DC für Verbraucher- und logische Busse
Der Baustein ist zwar für die Abwärtswandlung optimiert, kann aber ohne weiteres auch
als Buck/Boost-Wandler (positiv und negativ)
fungieren.
Die Bausteine erreichen eine hohe Flexibilität
dank der regelbaren Schaltfrequenz (250 kHz
bis 2 MHz) und ihrer Synchronisierbarkeit,
Sonderheft Power Management Powered by
Eine Version für den Automobilbereich ist in
Vorbereitung (A6986). Darüber hinaus sind
auf der Roadmap von ST auch Bausteine mit
höheren Eingangsspannungen (61 V) für ausfallsichere Anwendungen zu finden.
ST bietet auch Produkte für eine DC/DCWandlung von 12-V- und logischen Bussen (5
oder 3,3 V), wobei hier das Hauptaugenmerk
auf Wirkungsgrad (Synchrongleichrichtung
zusammen mit sehr geringem RDSon) und
Kompaktheit (hohe Schaltfrequenz, interne
Kompensation) liegt. Die ST1S40/1-Bausteine
sind 18V-3/4A-DC/DC-Wandler für anspruchsvolle Consumer- (12-V-Bus) und industrielle (z.B. Mess- u. Haushaltsgeräte)
Applikationen. Der RDS_ON ist sehr niedrig
(HS: 95 mΩ; LS: 7 mΩ), dafür die Schaltfrequenz mit 850 kHz hoch. Die ST1S31/2-Bausteine sind 5,5V-3/4A-DC/DC-Wandler für
logische Busse und eignen sich für Industrieund Consumer-Anwendungen. Auch in diesem Fall ist der RDSon niedrig (HS: 60 mΩ; LS:
45 mΩ) und die Schaltfrequenz mit 1,5 MHz
sehr hoch. ST hat auch bei diesen Wandlern
einen Power-Good-Ausgang vorgesehen, so
dass eine Sequenzierung und eine Anbindung
an externe Logik möglich sind.
www.silica.com/power
Aufgrund der Synchrongleichrichtung und der
internen Kompensation lässt sich die Zahl der
Komponenten gering halten. Der Maximalstrom wird durch einen externen Widerstand
mittels einer sehr kleinen Feedback-Spannung
(100 mV) festgelegt, was den zusätzlichen
Vorteil geringerer Stromverluste am Messwiderstand bietet. Die integrierte PWM-Dimmung ermöglicht eine Helligkeitsregelung in
Abhängigkeit von der festgelegten Stromimpulsform des Endgeräts.
Der LED5000-Baustein ist ein monolithischer
Abwärts-Schaltregler speziell für lange LEDKetten, da er mit Eingangsspannungen von
5,5 bis zu 48 V arbeiten kann und einen Ausgangsstrom bis 3 A liefert. Typische Einsatzbereiche sind leuchtstarke LED-Anwendungen, Straßenbeleuchtung oder Ersatzprodukte
für Halogenstrahler. Auf dem Baustein ist eine PWM-Schaltung zur Regelung der LEDHelligkeit implementiert. Eine sehr niedrige
Feedback-Spannung (200 mV) minimiert die
Verlustleistung am Messwiderstand.
Die Kompensation ist in diesem Fall nicht integriert, so dass eine Implementierung von
anderen Topologien als Abwärts/Aufwärts-
69
Silica|DC/DC-Wandler wandlern einfacher ist und somit noch mehr
LED auf einmal versorgt werden können.
Alle Bausteine (LED2000/1 und LED5000) arbeiten mit einer Schaltfrequenz von 850 kHz,
die, in Kombination mit Keramikkondensatoren mit niedriger Impedanz, die Ausgangswelligkeit minimiert. Sie sind gegen Überhitzung,
Überstrom und Kurzschluss am Ausgang gesichert. Darüber hinaus ist auch ein Sanftanlauf implementiert, der beim Dimmen deaktiviert ist, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.
Aufwärtsregler und Buck-Boost-Regler
ST bietet außerdem ein breites Portfolio an
Aufwärtsschaltreglern sowohl mit synchronen
als auch nicht-synchronen Schaltern und Ladungspumpen. Die Bausteine brauchen nur
einen sehr niedrigen Versorgungsstrom und
zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine geringe Baugröße, einstellbare oder
synchronisierbare Schaltfrequenzen und einen Stromerzeuger für die LED-Treiber aus.
Der ST8R00 ist ein DC/DC-Aufwärtswandler
mit Cut-off-Funktion für die Ausgangsspannung. Er eignet sich besonders, wenn Platinenfläche und Kosten hohen Beschränkungen
unterliegen. In anspruchsvollen Anwendungen wie Blu-ray-Player/-Recorder, Laptops
und Spielekonsolen kann mit dem ST8R00
sowohl bei der Platinenfläche als auch bei den
Herstellungskosten ohne Leistungsabstriche
deutlich gespart werden. Der synchrone BuckBoost-Wandler mit nur einem Induktor unterstützt 3 A Betriebsstrom und ist mit vier MOSFETs mit geringem Durchlasswiderstand versehen. Dadurch lässt sich Platz auf der Leiterplatte spare,n und die Verluste können minimiert werden, wodurch die Bausteine sehr gut
in Applikationen passen, die mit Li-Ion-Akkus
betrieben werden. Sie zeichnen sich durch
folgende Hauptmerkmale aus:
• großer Eingangsspannungsbereich
(1,8 bis 5,5 V), der alle wichtigen Batterie­
lösungen abdeckt
• hohe Schaltfrequenz (bis zu 3 MHz) führt
zu kompakteren Designs (kleinere passive
Komponenten)
• Komplettüberwachung: Erkennung von
sync, PGOOD und niedrigem Batteriestand
• Stromsparmodus bei niedriger Last
für einen höheren Wirkungsgrad
• typischer Wirkungsgrad von über 94%
• Ausgangsstrom von bis zu 3 A
• Shutdow-Strom unter 1 μA
für eine längere Batterielebensdauer
70
Multi-Output-Controller und -Regler
Die PM66xx-Serie ist eine komplette Familie
von DC/DC-Reglern und –Controllern, mit denen sich ausgeklügelte Power-ManagementLösungen für tragbare Computer (Notebooks,
Netbooks, Tablet-PCs) realisieren lassen. Sie
zeichnet sich durch spezifische Regeltechniken aus, mit denen auch bei Niedriglast der
bestmögliche Wirkungsgrad erreicht werden
kann. Die Familie eignet sich für die unterschiedlichsten Anwendungen, da es eine Vielzahl unterschiedlicher Bausteine gibt: mit
verschiedenen Integrationsstufen, mit
(PM6641) oder ohne Leistungs-MOSFETs
(PM6680), PWM- als auch LDO-Lösungen
(PM6670S) und unterschiedliche Leistungsstufen von 5 bis 36 V.
Mit der PM669x-Serie sind Anwender bei der
Stromversorgung von CPU und GFX der IMVP7-Plattform der nächsten Generation
höchst flexibel. Die PM661x-Serie ist ein Satz
aus vier hochleistungsfähigen, synchronen
Batterielade-ICs, die nur noch eine geringe
Anzahl von externen Komponenten brauchen
und sich für die unterschiedlichsten, platzbeschränkten Batterielade-Geräte eignen.
Der breite Eingangsspannungsbereich der
PM66xxA-DC/DC-Aufwärtscontroller-Serie
deckt 5V-, 12V- und 24V-Busse für Industrieanwendungen ab. Aufgrund der zahlreichen
einstellbaren Ausgangsspannungen ist diese
Produktfamilie für die Stromversorgung von
FPGA- und MCU-Systemen die erste Wahl.
Alle Bausteine stehen in kompakten VFQFPNGehäusen zur Verfügung und eignen sich bestens für Platz sparende Designs.
Einphasen- und Mehrphasen-Controller
Die hochleistungsfähigen Einphasen-Synchron-PWM-Aufwärtscontroller von ST sind
die ideale Lösung für Computing-, Netzwerkund High-End-Consumer-Anwendungen wie
Hochleistungs-Gleichstrommodule, redundante Stromversorgung mit Hot-Plug, niPOL-
Wandler (nicht isolierte Point-of-Load-Wandler), Datenzentren und TelekommunikationsEquipment.
Die L672x-Serie bietet eine hohe Effizienz,
Stromstärken von wenigen Ampere bis über
35 A, einen großen Eingangsspannungsbereich von 1,5 bis 19 V, hohe Leistung bei niedrigen Kosten sowie eine komplette Auswahl
integrierter Schutzfunktionen einschließlich
messfühlerfreiem Überstromschutz und einer
anpassungsfähigen Anti-Cross-Conduction
(damit wird gleichzeitige Einschalten der beiden Schalter verhindert).
Die L673x-Serie unterstützt einen Eingangsspannungsbereich von 1,5 bis 30 V und arbeitet mit 4,5 bis 16 V. Die Bausteine wandeln
eine Eingangsspannung von 30 V in eine Ausgangsspannung von 0,6 V um, und zwar bei
einer bis zu 1 MHz programmierbaren Schaltfrequenz. Über- und Unterspannungsschutz
sowie ein programmierbarer doppelstufiger
Überspannungsschutz sind vorgesehen. Die
Überwachungs- und Steuerfunktionen der
Serie, darunter Power Good, Thermoabschalten, Erkennung einer Feedback-Disconnection
etc., lassen nichts zu wünschen übrig.
Für CPU-Stromversorgungen bietet ST ebenfalls Lösungen. So erfüllen die PWM-Controller L6758A, L6751B, L6759D und L6718 extrem strenge Vorschriften, um den Anforderungen der VR12-Produkte von Intel entsprechen zu können. Für den mehrphasigen CoreBereich bieten sie einen programmierbaren
6-Phasen-Betrieb (maximal) und eine Einzelphase für VSA/GFX mit unabhängigen Regelschleifen. Gemeinsam mit den MOSFET-Treibern L6743, L6747 und L6749 bilden sie eine
vollständige Systemlösung für CPU und DDRSpeicher.
Die PM6695, PM6768 und PM6766/64 sind
vollständig konform gemäß den VR12.5-Spezifikationen und stellen die fortschrittlichsten
Mehrphasen-PWM-Controller dar. Bei den
PM6695- und PM6768-Bausteinen handelt es
sich um Analog-Controller, die bis zu vier Phasen bieten. Sie stellen eine kompakte und
kostengünstige Lösung aus Controller und
Treiber auf demselben Chip dar. Die PM6766und PM6764-Bausteine wiederum sind komplett digitale Controller mit leistungsfähiger
Telemetrie und Unterstützung von bis zu sechs
Phasen. Die neue STVCOTTM-Regelschleife,
die auf diesen Bausteinen implementiert ist,
sorgt für kürzeste Reaktionszeiten, sichert
eine feste Frequenz im statischen Betrieb und
ermöglicht einen sehr hohen Wirkungsgrad
bei geringen Lasten. (st)
■
Sonderheft Power Management Powered by
www.silica.com/power
Texas Instruments
Kleinstes 2,5-A-Powermodul
mit Überspannungsschutz
bis 65 V
Texas Instruments hat ein neues
Powermodul mit Überspannungsschutz bis 65 V vorgestellt,
das einen DC-DC-Wandler,
Induktor und passive
Komponenten in einem sehr
kleinen, einfach zu montierendem
Gehäuse enthält.
Der TPS84250 bietet Überspannungsschutz bis 65 V.
D
er TPS84250 mit 2,5 A erfüllt in Bezug auf elektromagnetische Störaussendungen die Vorgaben der Norm
EN55022 Klasse B und bietet Frequenzsynchronisierung, um auf saubere Weise
störempfindliche analoge Schaltungen in
Prüf- und Messanwendungen, industriellen
Motorsteuerungen sowie in medizinischen
und Bildgebungsanwendungen mit Strom
zu versorgen. Weitere Informationen und
Muster sind auf www.ti.com/tps84250-preu zu erhalten.
Der Abwärtswandler TPS84250 unterstützt
Eingangsspannungen von 7 bis 50 V und liefert eine positive Ausgangsspannung von 2,5
bis 15 V. Das Gehäuse hat die Maße 9 x 11 x
2,8 mm.
Für Anwendungen, die eine negative Ausgangsspannung benötigen, bietet Texas Instruments den Baustein TPS84259 mit 4,5 V
bis 40 V Eingangsspannung und mit bis zu
15 W Leistung an, der über eine Frequenzsynchronisierung verfügt und außerdem
TPS84250 und TPS84259
im Überblick
• Überspannungsschutz bis 65 V eliminiert zusätzliche Systemschutzkomponenten.
• Entspricht der Norm EN55022 Klasse B
über elektromagnetische Störaussendungen durch geringe EMS-Störungen.
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• F requenzsynchronisierung vermindert
Störungen.
•D
as sehr kleine, flache QFN-Gehäuse
mit den Abmessungen 9 x 11 x 2,8 mm
benötigt 75% weniger Fläche als OpenFrame-Powermodule.
www.silica.com/power
Quelle: Texas Instruments
nur geringe elektromagnetische Störungen
(EMS) aussendet. Dieses neue Powermodul
liefert Ausgangsspannungen von bis zu
–17 V für die Stromversorgung von Sensoren, Bipolar-verstärkern, Split-Rail-Datenwandlern und anderen analogen Schaltungen. Um saubere störungsarme Spannungsschienen zu realisieren, können der
TPS84250 und der TPS84259 mit Linearreglern mit besonders hohem Eingangsspannungsbereich kombiniert werden, wie etwa
dem 1A/36V-TPS7A4700 und dem 1A/36VTPS7A3301.
Der TPS84250 und der TPS84259 ergänzen
die TPS84k-Familie von TI-Powermodulen,
die auch die Stromversorgung für DSPs und
FPGAs bereitstellen, die niedrigere Eingangsspannungen benötigen.
Das Design mit den TPS84250 und TPS84259
Modulen wird durch das WEBENCH-Tool von
Texas Instruments unterstützt. . Die Bausteine werden im 41-Pin-QFN-Gehäuse angeboten. (st)
■
71
Silica|DC/DC-Wandler International Rectifier
DC/DC-Wandler
für hochdichte Designs
Die Welt wird immer kleiner, und
mit ihr alle elektronischen Geräte.
Das Hauptaugenmerk dabei liegt
auf Kernfunktionen wie Mikroprozessoren, FPGAs, ASICs und ihren
dazugehörigen hochschnellen
Datenpfaden. Stromversorgungen hingegen müssen sich in den
übrig gebliebenen Platz zwängen.
Doch wie lässt sich mehr Energie in einer kleineren Fläche zur
Verfügung stellen und dabei ein
gängiges Design beibehalten?
Von Rigamesh Balasubramaniam *
H
öhere Schaltfrequenzen und höhere Wirkungsgrade adressieren das
Platzproblem. Doch in der Praxis
erweist sich das als äußerst schwierig, weil
sich diese Parameter gegenseitig ausschließen. Eine weitere Herausforderung besteht
darin, eine gängige Plattform zu finden, die
über einen weiten Strombereich skalierbar ist
und dabei gleichzeitig den Platzbedarf minimiert, den Wirkungsgrad auf ein Höchstmaß
anhebt und die für den industriellen Einsatz
erforderliche Robustheit aufweist.
Genau das war die Aufgabe, die den Entwicklern der integrierten POL-Spannungsregler
(POL: Point-of-Load) der dritten Generation
von International Rectifier gestellt wurde.
Herausgekommen ist eine Familie von DC/DCAbwärtswandlern mit integrierten MOSFETs,
die einen Bereich von 1 bis 25 A abdecken.
Dafür waren in drei Bereichen Neuerungen
notwendig: beim Schaltungs-Design für den
Schaltregler, bei den hoch effizienten MOSFETs und in der Gehäusetechnik. Um im 12-VBetrieb eine Schaltfrequenz von 1 MHz oder
mehr zuzulassen, wurde ein patentiertes Modulatorsystem entwickelt, das sehr kleine,
Jitter-freie Impulse erzeugt. Zum Beispiel benötigt ein 1-MHz-Design, das die Spannung
aus einer 12-V-Versorgung in 1 V Ausgangsspannung herunterwandelt, eine Impulsbreite
von 83 ns und kann folglich keinerlei Jitter
tolerieren. Standard-PWM-Ansätze weisen
üblicherweise einen Jitter von 30 bis 40 ns
auf, was zu Pulse-Skipping und übermäßiger
Restwelligkeit (Ripple) führt. Der »Gen 3 SupIRBuck« hingegen bietet unter denselben
Bedingungen eine saubere Ausgangs-Restwelligkeit bei einem Jitter von lediglich 4 ns.
In die neue Familie sind IRs Leistungs-MOSFETs integriert; sie werden von einer intern
generierten Gate-Treiberspannung von 6,8 V
angesteuert. Auf diese Weise erreicht die
Gen-3-SupIRBuck-Familie im Vergleich zu
traditionellen Lösungen, die normalerweise
auf eine Gate-Ansteuerung von 5 V begrenzt
sind, marktführende Wirkungsgrade.
Standard-Gehäusetechniken zur Wärmeableitung reichen für niedrige Ströme im Bereich
von 1 bis 16 A aus. Für höhere Ströme von
beispielsweise 25 A wurde ein proprietäres
Gehäuse genutzt, um einen branchenweit
führenden Temperaturanstieg von nur 50 °C
zu erreichen. Der Synchron-MOSFET wird in
einer »Source-down«-Konfiguration umgedreht, während der Steuer-MOSFET in der
bisherigen »Drain-down«-Konfiguration
bleibt. Der Großteil der Wärmeentwicklung
erfolgt in der Source des Synchron-MOSFETs;
er wird aus dem Gehäuse heraus abgeleitet,
und nicht – wie in konkurrierenden Lösungen
– durch den Silizium-Chip hindurch. Infolge
des verbesserten Gehäuses und aufgrund von
Innovationen im Controller kann der IR3847
mit 25 A ohne Kühlkörper arbeiten. Gleichzeitig belegt er eine um 70 Prozent verringerte
Leiterplattenfläche, verglichen mit einem diskreten Aufbau. Eine vollständige 25-A-Stromversorgung kann somit jetzt auf einer Fläche
von lediglich 168 mm2 implementiert werden.
* Rigamesh Balasubramaniam ist Director of Marketing, Enterprise Power, International Rectifier
72
Sonderheft Power Management Powered by
www.silica.com/power
Die neue SupIRBuck-Familie der dritten Generation ist mit einer Betriebssperrschichttemperatur von –40 bis +125 °C für den industriellen Einsatz qualifiziert. Die Bausteine können
sowohl für den Betrieb mit einer Eingangsspannung (5 bis 21 V) konfiguriert werden als
auch für die Leistungswandlung von eingangsseitig 1 bis 21 V mit einer externen Vorspannung von 5 V. Die »Gen 3 SupIRBucks« zeichnen sich durch eine Referenzspannungsgenauigkeit von 0,5%, ein Feed-Forward-Konzept für
die Eingangsspannung und einen sehr geringen Jitter aus, was in Kombination eine ausgangsseitige Gesamt-Spannungsgenauigkeit
von besser als 3% möglich macht.
Spannungsspitzen am Schaltknoten zählen zu
den wichtigen Ursachen für Stress der MOSFETs. Vollständig monolithische Produkte sind
gegenüber solchen Spitzen besonders empfindlich. Ein robusterer Lösungsansatz besteht
in der Trennung des Controller-Siliziums vom
MOSFET-Silizium. Dadurch können die MOSFETs mit einem Prozess mit höheren Spannungen gefertigt und eingesetzt werden. Dieser
Ansatz wurde bei den »Gen 3 SupIRBucks« genutzt, bei denen diskrete Silizium-Dies (Controller, synchroner MOSFET und Regel-MOSFET)
auf Gehäuseebene integriert wurden.
Mit der neuen SupIRBuck-Familie der dritten
Generation adressiert IR die Probleme, die bei
thermischen und platzbeschränkten hochdichten Anwendungen auftreten, und zwar
mithilfe einer Gesamtgenauigkeit der Ausgangsspannung von besser als 3% unmittelbar an der Last. Dank deutlich reduziertem
Jitter für Pulsbreiten von nur 50 ns bieten die
SupIRBucks der dritten Generation eine höhere Regelbandbreite für ein besseres Einschwingverhalten und niedrige Ausgangskapazitäten.
Die dritte Generation der SupIRBuck-Familie
liefert Leistungs- und Dichtewerte, die rekordverdächtig sind, ohne dass dabei Kompromisse eingegangen werden mussten, und
bietet gleichzeitig die Möglichkeit, den Entwicklungsprozess zu vereinfachen. Dieselbe
Engine und dieselben Funktionen sind in jedem Produkt wiederzufinden, so dass der
Entwickler sein Wissen über die gesamte
Produktpalette wiederverwenden kann. Einige der Bauteile sind Footprint-kompatibel,
um die Wiederverwendbarkeit noch weiter
zu verbessern oder um Änderungen der Leistung in letzter Minute zu ermöglichen. Darüber hinaus beschleunigt ein kostenloses
Online-Design-Tool (verfügbar unter http://
mypower.irf.com/SupIRBuck) die Entwicklung und damit das Time-to-Market. Das
Tool bietet Schaltbilder, Materiallisten, ACund DC-Simulationen sowie eine Wärmesimulation. (st)
■
ROHM Semiconductor
Hoher Wirkungsgrad bei kleinen
Gehäuseabmessungen
Eine Anhebung des Wirkungsgrads bei allen Arbeitspunkten
ist ein wichtiges Kriterium beim
Design von Produkten der
nächsten Generation, denn
diese müssen nicht nur eine
verbesserte Funktionalität
aufweisen, sondern sollen auch
umweltfreundlicher sein.
Sonderheft Power Management Powered by
B
isherige Regler-Bausteine konnten
mit den rasch wachsenden Fähigkeiten schneller ICs nicht in vollem
Umfang Schritt halten. Wirklich ausgefeilte
Schaltregler müssen den Job übernehmen,
um die Eingangsspannung effektiv in die
gewünschte Ausgangsspannung umzuwandeln, während sie gleichzeitig die Verluste
minimieren und schnell auf Laständerungen
reagieren.
Das Konfigurieren eines Gleichspannungswandlers war in der Vergangenheit kompliziert und zeitaufwändig. Nachdem die richtigen ICs für die jeweilige Ausgangsleistung
ausgewählt waren, ging es an das Schaltungsdesign. Dabei mussten unter anderem die
richtigen Konstanten beispielsweise für die
Phasenkompensation festgelegt werden. Auch
beim anschließenden Leiterplatten-Design
galt es, die angestrebten Eigenschaften im
Blick zu behalten. Ferner waren die Kühlmaßnahmen auf die zu erwartende Wärmeentwicklung abzustimmen, und schließlich mussten noch die nötigen Schutzfunktionen vorgesehen werden. Über allem stand zudem die
Forderung nach Minimierung der Leiterplattenfläche.
www.silica.com/power
Im Idealfall verlängern Schaltregler nicht nur
die Lebensdauer der Stromversorgung, sondern machen auch das Design einfacher und
bieten die Auswahl unter mehreren DesignOptionen. Sie können das StromversorgungsKonzept vereinfachen und beispielsweise die
Zahl der benötigten Stromversorgungskomponenten reduzieren, wenn eine einzige Einheit für die jeweilige Anwendung ausreicht.
Viele Signalpfade, auf denen es zu raschen
Strom- oder Spannungsänderungen kommt,
können mit Streuinduktivitäten oder parasitären Kapazitäten in Wechselwirkung treten,
was Störungen hervorrufen und die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen kann. Die
Möglichkeit, ein breites Spektrum von Spannungen mit hoher Genauigkeit zu regeln und
dabei gleichzeitig den Platzaufwand auf ein
Minimum zu reduzieren und zusätzlich komplexe Schutzfunktionen zu nutzen, verleiht
Designern jene Flexibilität, Sicherheit und
Kosteneffektivität, die sie für die Entwicklung
ihrer Produkte brauchen. Die neuen Schaltregler-Familien von ROHM erfüllen nicht nur
diese Anforderungen, sondern bringen darüber hinaus eine vielfältige Feature-Palette
mit.
73
Silica|DC/DC-Wandler Mit der Familie BD9Cx01 bietet ROHM eine
Serie synchroner Abwärtswandler an, die über
integrierte MOSFETs mit geringen RDS(on)Werten (P-Kanal-Typ für die High-Seite und
N-Kanal-Typ für die Low-Seite) für die Synchrongleichrichtung verfügen. Die Bausteine
arbeiten mit einer typischen Schaltfrequenz
von 500 kHz, eignen sich für den Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 18 V und können einen Dauer-Ausgangsstrom von maximal
3 bis 6 A liefern. Die Current-Mode-Regelung
sorgt für eine hohe Ansprechgeschwindigkeit
und erleichtert die Kompensation des Phasengangs. Alle Produkte der Serie stimmen in
ihrer Anschlussbelegung überein. Einheitlich
festgelegt ist auch die Soft-Start-Zeit von 1
ms. Die mit zwei Gehäusebauarten (SOP-J8
und HTSOP-J8) verfügbare Serie bringt eine
umfassende Ausstattung an Schutzfunktionen beispielsweise gegen Überströme, Kurzschlüsse, Überhitzung, zu niedrige Eingangsspannungen und Überspannungen mit.
Für ein unkompliziertes Design kompakter
Stromversorgungen bietet ROHM außerdem
die asynchronen Abwärtswandler BD9673
und BD9876 an. Beide verfügen über integrierte, high-seitige N-MOSFETs mit geringem
RDS(on). Sie können mit Eingangsspannungen
in einem großen Bereich von 7,0 bis 42 V eingesetzt werden und werden vorwiegend als
Haupt-Stromversorgung genutzt. Zum Beispiel kann aus einer festen Eingangsspannung
von 12 V, 24 V usw. eine Ausgangsspannung
74
von beispielsweise 1,2 V, 1,8 V, 3,3 V, 5 V usw.
erzeugt werden. Die ICs arbeiten mit einer fest
eingestellten Schaltfrequenz von 300 kHz und
besitzen einen eingebauten N-Kanal-FET als
Schalter für die 45 V. Die Current-Mode-Regelung sorgt für eine schnelle Reaktion auf
Laständerungen und hält den Aufwand für die
externe Phasenkompensations-Beschaltung
gering. Die im HTSOP-J8-Gehäuse angebotenen Bausteine verfügen über einen Überstrom- und Überhitzungsschutz und eine
Unterspannungs-Sperre.
Als jüngsten Neuzugang hat ROHM Semiconductor einen neuen asynchronen AbwärtsSchaltregler mit einem eingebauten 800-mΩLeistungs-MOSFET angekündigt. Der
BD9G101G ist für einen Ausgangsstrom von
0,5 A DC ausgelegt. Mit seinen hervorragenden Netz- und Lastregelungs-Eigenschaften
empfiehlt sich der Baustein, der in einem
kompakten Gehäuse des Typs SOT23 (SSOP6)
angeboten wird, für intelligente Power-Management-Lösungen. Die fest auf 1,5 MHz
eingestellte Schaltfrequenz erlaubt die Verwendung einer kleinen Induktivität und kleiner Keramik-Kondensatoren, was den Platzaufwand verringert. Sämtliche Phasenkompensations-Bauelemente sind bereits integriert.
Die Eingangsspannung kann zwischen 6 und
42 V betragen. Die interne Referenzspannung
ist mit einer Toleranz von typisch ±1,5% auf
0,75 V eingestellt. Der neue Schaltregler eignet sich hervorragend für getaktete Abwärtswandler. Neben der internen Kompensation
und dem erstklassigen Wärmewiderstand sind
die verschiedenen Schutzfunktionen (z.B.
Überstromschutz, Unterspannungs-Sperre
und Überhitzungsschutz) hervorzuheben. Die
typische Stromaufnahme im Shutdown-Zustand ist mit 0 µA angegeben. Der Betriebstemperaturbereich beträgt –40 bis +105 °C,
die maximale Sperrschichttemperatur 150
°C.
Zusammenfassung
Die verschiedenen Reihen neuer synchroner
und asynchroner Schaltregler von ROHM eignen sich für Eingangsspannungen von 12 bis
42 V (in Zukunft sogar bis zu 80 V) und unterstützen Ausgangsströme von 0,5 bis 6 A.
Die Bausteine verfügen über
mehrere Schutzfunktionen,
werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Gehäuse angeboten und werden vielfältigsten Design-Anforderungen beispielsweise in Bezug
auf das Tastverhältnis, die
Ausgangsspannung, die thermischen Bedingungen, den
Bauteileaufwand usw. gerecht. Die integrierten MOSFETs sorgen dank niedriger
RDS(on)-Werte und hoher
Schaltgeschwindigkeiten für
einen besseren Wirkungsgrad.
Der Zuverlässigkeit kommen
die hohe Regelgenauigkeit
der Ausgangsspannung von
±1,0 beziehungsweise ±2,0
%, eine Softstart-Funktion
sowie Schutzfunktionen gegen zu hohe Ströme, Überhitzung, zu niedrige Eingangsspannungen, Kurzschlüsse oder Überspannungen zugute. Darüber hinaus sind weniger
Bauelemente nötig, um hocheffiziente Leistungswandler zu implementieren, kompakte
Applikationen zu realisieren und die Systementwicklungskosten zu senken. Zurzeit arbeitet ROHM an der Entwicklung der neuen
Serie BD9G3x1 für höhere Eingangsspannungen von 45 V, 60 V und 80 V. Der Beginn der
Massenproduktion dieser neuen Bauelemente
ist für das dritte beziehungsweise vierte Quartal 2013 vorgesehen. (st)
■
Sonderheft Power Management Powered by
www.silica.com/power
Manche Anforderungsprofile machen eine digitale Regelung unabdingbar
Digital Power – flexibel
und effizient
Die digitale Regelung ist im
höheren Leistungsbereich längst
Standard. Aber wie sieht es im
Leistungsbereich zwischen 50
bis 150 W aus? Kann sich hier die
analoge Regelung dank der
Kostenvorteile weiterhin gut
behaupten oder findet auch hier
ein Umstieg auf die digitale
Regelung statt?
D
ie digitale Regelung ist zwar teurer
als die analoge, aber sie weist Eigenschaften auf, die in manchen Anwendungen einfach zwingend erforderlich sind. So
erklärt auch Ivan Dobes, 32-Bit MCU Marketing Manager bei Texas Instruments, dass der
Einsatz einer digitalen Regelung weniger mit
einem bestimmten Leistungsbereich zusammenhängt als vielmehr damit, »wie hoch die
Anforderungen sind und ob Flexibilität wichtig ist«. Wenn mehrere Spannungen gleichzeitig geregelt werden müssten und zudem
noch die Lasten stark und schnell schwanken können, dann sei die digitale Regelung
seiner Meinung nach immer zu bevorzugen.
Sind zudem noch zusätzliche Funktionen nötig, sei es eine Leistungsfaktorkorrektur oder
generelle Überwachungsfunktionen, und dies
noch mit einem Platzmangel auf der Leiterplatte verbunden ist, »dann ist die digitale
Regelung durch einen Mikrocontroller fast
unvermeidbar«, so Dobes weiter. Ähnlich argumentiert auch Pavel Grasblum, MPG Motor
Control & Power Conversion System Solution
Application Engineer von Freescale Semiconductor, indem er als größten Vorteil der digitalen Regelung auf ihre hohe Flexibilität hinweist. Denn so ließen sich die Regelparameter
an die aktuelle Last anpassen, wodurch eine
höhere Effizienz möglich ist. Und das »lässt
sich mit einem analogen Design nur schwer
realisieren«, so Grasblum weiter.
Dementsprechend gibt es auch einige Anwendungsbeispiele im mittleren und unteren Leistungsbereich, in denen die digitale die analo-
Sonderheft Power Management Powered by
ge Regelung verdrängt hat. Ein Beispiel sind
Ladegeräte für Smart-Phones (Kleinstleistungsbereich: 3 bis 5 W). Christian Burrer,
verantwortlich für AC/DC und Licht-ICs bei
Infineon Technologies, merkt an, »dass hier
zwar keine Standard-DSPs wie im Hochleistungsbereich die digitale Regelung übernehmen, dafür aber wesentlich einfachere Controller, die nicht mit einer MPU sondern mit
festverdrahteter Logik ausgestattet sind«. Darüber hinaus habe die digitale Regelung auch
schon in der PC-Welt ihren Einzug gehalten,
denn laut Burrer liefert beispielsweise Infineon kundenspezifische, digitale Regler in diesen Applikationsbereich.
Speziell auf den mittleren Leistungsbereich
bezogen, beurteilt Andreas Reiter, Senior
Business Development Manager for Power
Electronics Europe bei Microchip Technology,
die Situation aber eher als schlecht. Hier hätte sich die digitale Regelung bislang kaum und
nur in speziellen Fällen durchsetzen können.
Sie würde nur dann eingesetzt, wenn die höhere Flexibilität der digitalen Regelung benötigt wird, um das nicht-lineare Verhalten von
Lasten besser unterstützen zu können. Als
Beispiele nennt er Stromquellen wie LEDTreiber und Batterieladegeräte, hier seien immer mehr halb- und voll-digitale Regler zu
finden. Reiter weiter: »Im Bereich von Konstantspannungsquellen hingegen stellen der
höhere Stromverbrauch der Controller und der
damit verbundene erhöhte Aufwand für Hilfsversorgungen oft noch ein K.O.-Kriterium für
die digitale Regelung dar.« Vor allem in PointOf-Load-Anwendungen (PoL) würden volldigitale Regler durch ihre begrenzte Bandbreite
in Verbindung mit den hier üblichen, sehr hohen Schaltfrequenzen, immer wieder an ihre
Grenzen stoßen.
Dem allerdings widerspricht Frederik Dostal,
im Power Management Technical Marketing
von Analog Devices tätig. Seiner Erfahrung
nach wird die digitale Regelung heute vor allem in PoL-Anwendungen oder in isolierten
Applikationen mit höheren Leistungen eingesetzt, was zumindest Jim Templeton, Executive Director, Business Management Power
Solutions bei Maxim Integrated, bestätigt:
»Ungefähr 50 Prozent der PoL-Stromversor-
www.silica.com/power
gungen sind digital ausgelegt, bei ServerSpannungsreglern liegt dieser Anteil sogar
schon bei rund 65 Prozent.
Inwieweit sich die digitale Regelung durchgesetzt hat, hängt sicherlich von den Erwartungen jedes einzelnen ab. In einem Punkt sind
sich aber alle einig: Die Flexibilität, die die
digitale Regelung mit sich bringt, ist der entscheidende Pluspunkt. Nicht nur, dass ein digitaler Regler mehrere Regel-Modi durchlaufen kann und damit deutlich effizienter bei
Lastsprüngen und im Standby-Modus ist, die
Flexibilität vereinfacht auch die Erstellung
von Varianten: der Hersteller von Stromversorgung muss seine Produkte nur noch entsprechend konfigurieren und nicht mehr für
unterschiedliche Produkte unterschiedliche
Varianten vorhalten. Wobei Burrer bezüglich
der Effizienz außerdem anmerkt, dass sich
Effizienzklassen wie 80 PLUS Silver oder Gold
(80 Plus ist eine nordamerikanische Initiative
zur Förderung von Netzteilen für Computer
und Server, die einen Wirkungsgrad von 80
Prozent oder höher aufweisen) zwar mit einer
analogen Regelung realisieren lassen würden,
»aber ab der Titanium-Klasse stößt die Analogtechnik an ihre Grenzen«.
Handies der Effizienzklasse Energy Star 5 ließen sich mit einer analogen Regelung kaum
realisieren. Dementsprechend ist Charlie Wu,
Senior System & Application Engineer Industrial & Multi-Market Operation in der Microcontroller Solutions Group von Freescale Semiconductor, davon überzeugt, dass gesetzliche Anforderungen der digitalen Regelung auf
die Sprünge helfen werden: »Der neue europäische Standard für Energieeffizienz von
externen Stromversorgungen erfordert eine
höhere Energieeffizienz im Standby-Modus
und bei niedrigen Lasten. Auch wenn viele
Hersteller von Stromversorgungen zunächst
einmal weiterhin an analoge Lösungen denken werden, dürften die Kosten dafür so stark
steigen, dass sie doch über eine digitale Regelung nachdenken müssen.«
Templeton weist noch auf ein weiteres Beispiel hin, in dem eine digitale Regelung erforderlich ist: »Im Server-Bereich ist das finale
Design beispielsweise für Intel-Prozessoren
75
Silica|DC/DC-Wandler erst dann bekannt, wenn die Chips geliefert
werden. Dank der digital bedingten Flexibilität können Modifikationen per Firmware vorgenommen werden, sodass Intel-Prozessorkarten rechtzeitig mit den Intel-Chips auf den
Markt gebracht werden können.« Aber auch
wenn der technische Fortschritt eine ständige
Weiterentwicklung der Stromversorgung notwendig machen würde, ist die digitale Regelung die Lösung, denn dank Modifizierbarkeit
können die Parameter einfach angepasst werden. Das ist beispielsweise der Grund, warum
sich die digitale Regelung in der LED-Technik
bereits durchgesetzt hat. Wobei Reiter für
diese Anwendung noch weiterer Pluspunkte
für die digitale Regelung ausmacht. So lassen
sich damit auch wichtige zusätzliche Aspekte
wie Temperaturkompensation zur Stabilisierung der Farbkoordinaten, optimiertes Dimming nach ergonomischen Gesichtspunkten
und erweiterte Diagnosemöglichkeiten implementieren.
Die Kosten sind neben den von Reiter genannten Nachteilen eine der Hauptursachen dafür,
dass die digitale Regelung die analoge bislang
nur bedingt verdrängen konnte, denn auch
wenn der Regelalgorithmus digital durchgerechnet werden kann, sind dennoch viele analoge Bausteine in einer digitalen Regelung
Rennen, wenn es um Stromversorgungen in
einem Leistungsbereich von mehreren 100 W
geht. Für den hier betrachteten niedrigeren
Leistungsbereich wiederum ist der ADP1051
optimiert. Der digitale Power-Controller verfügt über ein PMBus-Interface und sechs programmierbare PWM-Ausgänge. Mithilfe einer
adaptiven Totzeit lässt sich der Wirkungsgrad
über den gesamten Lastbereich verbessern.
Der ADP1051 basiert auf einer flexiblen Zustandsmaschine und sitzt in einem kleinen 4
x 4 mm LFCSP-Gehäuse. Dostal: »Der größte
Unterschied zwischen unserem ADP1051 und
konkurrierenden Bausteinen ist die Zustandsmaschine. Die Entwickler können alle Registerwerte über eine intuitive graphische Benutzeroberfläche setzen, dadurch ist die Entwicklung deutlich einfacher.«
Freescale adressiert die digitale Wandlung mit
seinen DSC-Familien, die auf einem DSP-Core
basieren, der bis zu sechs Operationen pro
Befehlszyklus durchführen kann. Die Bausteine verfügen außerdem über einen schnellen
Dual-A/D-Wandler mit einer Wandlungszeit
von 300 ns. Freescale hat seine 56F82xxx-,
56F84xxx- und 56F82xxx-Familien darüber
hinaus mit PWM-Modulen ausgestattet, die
sich durch vier unabhängige Zeitbasen und
einer Auflösung von 312 ps auszeichnen.
Logik, Analog und Treiber
in einer 2-Chip-Lösung
Infineon entwickelt derzeit einen Baustein, bei dem die Logikschaltung mit den
Analogbausteinen und Treibern in einer
Zwei-Chip-Lösung integriert ist, der Serienstart ist für nächstes Jahr geplant.
Christian Burrer, verantwortlich für AC/DC
und Licht-ICs bei Infineon Technologies,
notwendig. Burrer: »Eine Stromversorgung
mit Halbbrücken und den dazugehörigen
Gate-Treibern für die Leistungstransistoren
lässt sich in CMOS technologisch gesehen
zwar realisieren, aber so eine Lösung ist ökonomisch nicht vertretbar.«
Die Produktpalette ist vielfältig
Aber nicht nur Infineon hat sich der digitalen
Regelung angenommen, auch die anderen
Hersteller bieten entsprechende Produkte an.
So schickt Analog Devices beispielsweise derzeit seinen Digital Controller ADP1046 ins
76
kommentiert: »Mit diesen Produkten adressieren wir den Leistungsbereich von
30/40 bis 300 W und damit Anwendungen
wie Notebook-Adapter, Fernseher, Drucker
oder PCs. Damit werden beispielsweise
heutige Standby-Stromversorgungen in
PCs oder LCD-Fernsehern überflüssig.«
Grasblum: »Besonders die jüngste DSC-Familie 56F82xxx weist im Vergleich zu konkurrierenden Lösungen eine sehr niedrige Leistungsaufnahme auf – ein entscheidender
Parameter, um energieeffiziente Stromversorgungen realisieren zu können. Hinzu kommen
zahlreiche Peripheriefunktionen und der Preis,
mit denen sich Applikationen adressieren lassen, die eine niedrige Ausgangsleistung benötigen.«
Wie Reiter bereits erklärt hat, bereitet die hohe Stromaufnahme den Controllern im mittleren Leistungsbereich Probleme, wobei er
hinzufügt, dass Microchip die Stromaufnah-
me bei den aktuellsten dsPIC33 DSCs bereits
deutlich reduziert hat, so dass die untere Leistungsgrenze, bei der diese Controller üblicherweise zum Einsatz kommen, bei etwa 100
W liegt.
Microchip adressiert Anwendungen im niedrigeren Leistungsbereich momentan noch
eher mit den sog. hybriden Lösungen, bei denen analoge Schaltreglerarchitekturen mit
programmierbaren Kernen ergänzt werden.
Hier stehen 8-Bit-MCUs mit spezieller Peripherie wie PWM, Operationsverstärker und
Komparatoren der PIC16F75x- und
PIC16F178x-Familien zur Verfügung. Diese
Produkte benötigen zwar immer noch eine
externe Hilfsversorgung und MOSFET-Treiber,
unterstützen aber komplexere Topologien und
Multiphasen-Wandler und sind deshalb universell einsetzbar. Daneben gibt es auch die
8-Bit-Hybridregler der MCP1911x-Familie, die
deutlich höher integriert sind, MOSFET-Treiber
und Hilfsversorgung mit einschließen und mit
Versorgungsspannung bis zu 42 V direkt betrieben werden. Reiter abschließend: »Microchip war einer der ersten Hersteller, der sich
auf intelligente Stromversorgungen fokussiert
hat und verfügt deshalb über viel Erfahrung
bei der Entwicklung und Implementierung
intelligenter Regler. Unsere Lösungen ermöglichen eine sehr hohe Flexibilität sowohl beim
Design als auch im laufenden Betrieb. Die volle Programmierbarkeit aller Produkte, besonders aber die der hochintegrierten HybridSchaltregler, und die sehr enge Verzahnung
von MCU und Regler führen dazu, dass unsere Produkte vor allem dort eingesetzt werden,
wo Technologieübergänge stattfinden und
keine klassischen Off-The-Shelf-Lösungen zur
Verfügung stehen.«
Templeton wiederum erklärt: »InTune als das
Digital-Power-Feature von Maxim Integrated
überzeugt durch echte digitale Flexibilität
und automatische Kompensation. Es handelt
sich hierbei um die einzige digitale Stromversorgungslösung, deren Einschwingverhalten
mit dem von analogen Lösungen vergleichbar
ist. Das erleichtert die Anwendung unserer
Bausteine und ergibt außerdem die insgesamt
kompakteste Lösung, weil weniger Ausgangskondensatoren gebraucht werden.«
Bei TI sind die Controller aus der C2000-Familie für die digitale Regelung nutzbar. Sie
zeichnen sich laut Dobes durch den integrierten DSP-Kern, hochpräzise PWMs und schnelle analoge Komparatoren mit »Slope compensation« aus, »die für fortgeschrittene Regelalgorithmen sehr wichtig sind«, so Dobes abschließend. (st)
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Texas Instruments
Abwärtswandler erzielt
höchste Effizienz bei
niedrigen Ausgangslast
Der 28V/500mA-Abwärtswandler
von Texas Instruments ist ein
einfach anzuwendender Regler
mit DCS-Control. Er eignet sich für
Point-of-Load-Applikationen
mit 12, 15 oder 24 V, darunter
beispielsweise Sensoren und
Smart Meter.
D
er synchrone 28V/500mA-Abwärtswandler TPS62175 zeichnet sich
durch eine Stromaufnahme im SleepModus von unter 5 µA aus. Er behält seinen
hohen Wirkungsgrad auch bei geringen Ausgangslasten und eignet sich für extrem sparsame Mikrocontroller in Anwendungen mit
12, 15 oder 24 V Betriebsspannung, wie zum
Beispiel industrielle Sensoren, Smart Meter,
Die DCS-Control-Technik
Der TPS62175 basiert auf der DCS-Control-Topologie (Direct Control with Seamless Transition into Power Save Mode),
die die Hysterese- und Voltage-ModeRegelung in einem Baustein kombiniert
und für sehr gute Lastregeleigenschaften
die Medizintechnik und die drahtlose Energieübertragung. Muster, das WEBENCH Designtool und ein Evaluation Modul sind unter
www.ti.com/tps62175-preu verfügbar.
Die TPS62175 zeichnen sich durch folgende
Eigenschaften und Vorteile aus:
• Maximale Effizienz bei geringer Ausgangsleistung: Bei 100 µA Ausgangsstrom ist der
sorgt. Mit einer Spannungs-Rückkoppelschleife bewirkt die DCS-Control-Technik
außerdem eine hohe DC-Genauigkeit,
und es wird reibungslos zwischen den
Betriebsarten für hohe und geringe Last
(Stromspar-Modus) umgeschaltet.
Wirkungsgrad größer als 70%. Die Ruhestromaufnahme im Sleep-Modus ist kleiner
als 5 µA und beträgt im regulären Betrieb 20
µA.
• Der Wandler eignet sich für Mikrocontroller-Systeme mit hohen Anforderungen, was
die Standby-Leistungsaufnahme und die Genauigkeit der Ausgangsspannung betrifft, und
unterstützt die Mikrocontroller der StellarisFamilie von TI mit dem Cortex-M4F von
ARM.
• Sehr platzsparend: Es werden nur drei externe Bauelemente benötigt, und dank des nur
2 x 3 mm großen WSON-Gehäuses benötigt
die Gesamtlösung nicht mehr als 68 mm² Fläche.
Demo-Board
Der TPS62175 wird in einem 2 x 3 mm großen
WSON-Gehäuse mit 10 Anschlüssen angeboten. Designer können das Demo-Board
TPS62175EVM-098 bestellen, um die Arbeitsweise und Funktionalität des Bausteins bei der
Umwandlung einer zwischen 4,75 und 28 V
liegenden Eingangsspannung in eine geregelte Ausgangsspannung von 3,3 V auszuprobieren. (st)
■
Über 70% Wirkungsgrad bei geringen Lasten
Quelle: Texas Instruments
Sonderheft Power Management Powered by
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77
Silica|DC/DC-Wandler Infineon Technologies
Stromsparende DC/DC-Wandler
Infineons TLF502x1EL-Familie
ist eine Serie von 500-mA-DC/
DC-Wandlern mit sehr niedriger
Leistungsaufnahme und hohen
Schaltfrequenzen.
D
ie asynchronen Bausteine verfügen
über einen integrierten Leistungstransistor und liefern bei 5 V und einer
Ausgangsspannungstoleranz von ±2% einen
Ausgangsstrom von 500 mA. Sie können bei
Tastverhältnissen von bis zu 100% und mit
Eingangsspannungen von 4,75 bis 45 V betrieben werden. Bei geringen Lasten schaltet
das Bauteil vom PWM- in den PFM-Betrieb
um, um einen sehr niedrigen Stromverbrauch
von unter 45 µA zu gewährleisten.
Die einstellbare Schaltfrequenz bis zu 2,2
MHz kann mit einem externen Taktgeber synchronisiert werden. Diese hohe Schaltfrequenz ermöglicht den Einsatz von kleinen,
kostengünstigen Induktoren und Kondensato-
Merkmale der TLF502x1-Familie
• Ausgangsspannung: 5 V (± 2 %)
• Ausgangsstrom: 500 mA
• PWM- und PFM-Betrieb
• Niedriger Stromverbrauch: unter 45 µA
• Niedriger Shutdown-Strom: unter 2 µA
• Tastverhältnis bis zu 100 %
• Schaltfrequenz bis zu 2,2 MHz
• AEC-Qualifizierung
ren, spart Platz auf der Leiterplatte und sorgt
für eine berechenbare Ausgangsspannungswelligkeit. Die integrierten Kompensationsund Sanftanlauf-Funktionen erlauben eine
einfache Anwendung und reduzieren die Anzahl von externen Komponenten.
Die TLF502x1-Familie stellt Funktionen bereit, die im Automotive-Markt benötigt werden, einschließlich einer ENABLE- und RESET-Funktion mit einstellbaren Schwellwer-
• Integrierte Kompensationsund Soft-Start-Funktion
• ENABLE, RESET und
WATCHDOG implementiert
• Thermisch verbessertes Gehäuse:
SSOP-14 EP (RoHS)
• Synchronisierung und
Frequenzeinstellung
ten und WATCHDOG-Timer mit einstellbarem
Timing. Die neuen Bausteine sind mit Schutzfunktionen versehen, wie eine Strombegrenzung in jedem Zyklus, eine Übertemperaturabschaltung und eine Sperrfunktion bei
Unterschreiten der minimalen Eingangsspannung. Dank des großen Temperaturbereichs von bis zu 150 °C und der AEC-Qualifizierung eignen sich die Bauteile für die
Automobilindustrie in den Bereichen Body,
Cluster und Infotainment etc. (st)
■
Impressum
Inserenten
Redaktion: Kerstin Kurth, verantwortlich für den Inhalt (Silica), Sergio Biancifiori (Silica),
Andrea Cappa (Silica), Manfred Feske (Silica), Simone Franceschin (Silica), Florian Freund
(Silica), Kévin Guehenneux (Silica), Henryk Hauer (Silica), Uli Hoss (Silica), Fredrik Johansson
(Silica), Richard Lenz (Silica), Piero Mocca (Silica), Franco Montanari (Silica), Andreas Schugens (Silica), Carl Vincent (Silica), David Carr (Analog Devices), Maurice O’Brien (Analog
Devices),Colin Davies (Diodes), Rigamesh Balasubramaniam (International Rectifier), Neil
Longgood (Maxim Integrated), Philippe Rangheard (NXP Semiconductors), Steffen Hering
(Renesas Electronics Europe), Iris Stroh (st), Markt & Technik)
Anzeigenleitung: Ira Kerstin-Hormuth, Silica
Layout & Design: Dieter Grahnert, Markt & Technik
Druck: L.N. Schaffrath Druck Medien, Geldern
Infineon
www.infineon.com/p6
International Rectifier
www.irf.com
Maxim
www.maximintegrated.com
Microchip
www.microchip.com
NXP
www.nxp.com
ON Semiconductor
www.onsemi.com
Renesas
www.full-of-power.com
Renesas
www.renesas.eu/sjmosfet
ROHM Semiconductor
www.rohm.com/eu
Herausgeber & Anschrift: Silica (An Avnet Company), Avnet EMG GmbH, Gruber Str. 60C,
85586 Poing, Germany, Tel. +49 (0) 8121 777-02, Fax +49 (0) 8121 777-531
E-Mail: [email protected], Internet: www.silica.com
Silica
13
49
2
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www.born-power.com
4, 35-38, 80
Texas Instruments
www.ti.com/power-eu
Texas Instruments www.ti.com/powerlab-eu
Texas Instruments www.ti.com/webench-de
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Urheberrechte: Alle im Silica Sonderheft Power Management erschienenen Beiträge sind
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gleich welcher Art, ob Fotokopie, Mikrofilm oder Erfassung in Datenverarbeitungsanlagen,
nur mit schriftlicher Genehmigung des Verlages und des Herausgebers. Aus der Veröffentlichung kann nicht geschlossen werden, dass die beschriebene Lösung oder verwendete Bezeichnung frei von gewerblichen Schutzrechten sind.
Haftung: Für den Fall, dass im Silica Sonderheft Power Management unzutreffende Informationen enthalten sein sollten, kommt eine Haftung nur bei grober Fahrlässigkeit des
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