Powermanagement DC/DC-Wandler mit NexFET-Power-MOSFET erhöht den Wirkungsgrad

An einem Buck-Controller mit NexFET-Power-MOSFET als PoL-Stromversorgung wird gezeigt, wie sich höherer Wirkungsgrad und erweiterte Funktionalität kombinieren lassen, um die Systemeffizienz zu steigern.

Anbieter zum Thema

TRACO ELECTRONIC GMBH

Bicker Elektronik GmbH

RECOM Power GmbH

Texas Instruments Deutschland GmbH

Um den Wirkungsgrad ihrer Systeme schrittweise zu erhöhen und zugleich deren Leistungen beizubehalten oder zu verbessern, setzen die meisten Entwickler auf Änderungen der Schaltungsarchitektur oder auf Technologien mit geringerem Energiebedarf. Gegenstand des vorliegenden Beitrags ist ein DC/DC-Wandler in Verbindung mit NexFET-Leistungs-MOSFET der neuesten Generation. Es wird untersucht, wie sich ein höherer Wirkungsgrad und eine erweiterte Funktionalität miteinander vereinbaren lassen, um so die Gesamtleistung eines Systems zu erhöhen.

Derzeit gibt es zahlreiche DC/DC-Wandler ohne galvanische Trennung, die eine Versorgungsspannung von 12, 5 oder 3,3 V auf einen vom Prozessorkern benötigten Wert herabsetzen können. Lösungen, die in der Vergangenheit gut funktioniert haben, erfüllen die Anforderungen heutiger Hochleistungsprozessoren unter Umständen nicht mehr. Der Hauptgrund hierfür liegt im Integrationsgrad von modernen Prozessoren und FPGAs begründet. Deren Kernbetriebsspannungen liegen meist unterhalb von einem Volt und benötigen zeitgleich Spitzenströme von mehreren Ampere. Diese Veränderungen in der Prozessortechnologie machen passende und leicht verfügbare Point-of-Load-Stromversorgungslösungen erforderlich. Wir werden auf diese Herausforderungen ausführlicher eingehen, um die Vorzüge der neuesten Wandler- und MOSFET-Technologien aufzuzeigen.

Wandlertechnologie der nächsten Generation

Diese fortschrittlichen Produkte können mit Keramik-Siebkondensatoren sowie Ableit- und Filterkondensatoren beschaltet werden, halten erheblichen Einschaltstoßströmen stand, verfügen über Funktionen zur aktiven EMV-Störunterdrückung, mit denen sich die Spezifikationen für die FCC-Zulassung übertreffen lassen, weisen eine hohe Spannungsregelgenauigkeit auf und unterstützen außerdem den Betrieb in Kombination mit Kondensatorbänken, die zum Einschaltzeitpunkt vorgeladen sind. Bei alledem erreichen sie nicht nur einen hohen Wirkungsgrad, sondern sind auch sehr kompakt und zeichnen sich durch eine erhöhte Zuverlässigkeit aus.

DC/DC-Wandler wie beispielsweise die aus der TPS4030x-Familie wurden unter dem Aspekt einer Wirkungsgradsteigerung optimiert und verfügen über die modernen Leistungsmerkmale, die für den Betrieb der heutigen Multirail-Prozessoren unabdingbar sind.

Diese Bausteine sind mit leistungsstarken Treibern ausgestattet, die die externen MOSFET mit sehr kurzen Schaltzeiten bei verkürzter Totzeit ansteuern können und so über den gesamten Lastbereich einen hohen Wirkungsgrad erzielen. Die Bootstrap-Schaltung mit einer integrierten Diode gestattet es außerdem, einen N-Kanal-MOSFET mit niedrigem RDS_(ON)als hoch liegenden Schalter einzusetzen.

Die Synchron-Abwärtsregler der Familie TPS4030x verarbeiten Eingangsspannungen von 3 bis 20 V und unterstützen Zwischenbusspannungen von 12,5 und 3,3 V. In dieser Wandlerarchitektur ist eine Spannungssteuerung implementiert. Die Spreizspektrum-Funktion (Frequency Spread Spectrum, FSS) überlagert der Schaltfrequenz ein Signal, was den Spitzenwert der Störungen erheblich senkt und die Einhaltung der EMV-Standards erleichtert.

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