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

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In einem System, das eine Pre-Bias-Funktion erfordert, kann die I/O-Spannung anliegen, bevor die Kernspannung eingeschaltet wird, wobei zwischen der Kern- und der I/O-Spannung eine Mindestdifferenz herrschen muss. In diesem Anwendungsfall empfiehlt der Prozessorhersteller, die Kernspannung vor dem Einschalten über Dioden zunächst auf eine Vorspannung zu bringen (Pre-Bias-Verhalten). Hierdurch wird zwischen der Kern- und der I/O-Spannung eine Mindestdifferenz aufrechterhalten.

Beim Einsatz eines synchronen DC/DC-Abwärtswandlers sollte man dafür sorgen, dass der MOSFET auf der Niederspannungsseite während des Einschaltvorgangs im ausgeschalteten Zustand bleibt. Andernfalls wird die bereits an den Kern angelegte Vorspannung auf Massepotenzial gezogen, während der DC/DC-Wandler startet. Dies kann unter Umständen die externen Bypass-Dioden beschädigen. Wenn der Wandler für die Kernspannung eingeschaltet wird, sollte diese rampenförmig vom Wert der Vorspannung auf den gewünschten Spannungswert hochlaufen.

Zum selben Szenario kann es natürlich auch kommen, wenn Kondensatorbänke während eines kurzzeitigen Ausfalls der Eingangsspannung vorgeladen bleiben. In Multirail-Systemen kann dies die ESD-Struktur von Multirail-FPGAs und Prozessoren ernsthaft beschädigen. Daher empfiehlt sich die Verwendung von Wandlern, die die Pre-Bias-Funktion unterstützen, wobei der Synchron-MOSFET während des Startens gesperrt ist und die Body-Diode des FETs für die Aufrechterhaltung des Stromflusses sorgt.

NexFET-Power-MOSFET haben ein neues Leistungsniveau

In den 1980er Jahren wurde die Planartechnologie von den MOSFET-Herstellern als dominierende Struktur eingesetzt. Bis zu den späten 90er Jahren gingen die meisten Hersteller zur Trench-Struktur (Graben-Struktur) über, weil diese beim spezifischen Durchlasswiderstand klare Vorteile bietet. Verbreitet herrschte die Auffassung, dass der niedrige RDS_(ON) den Entwicklern die Möglichkeit verschaffte, in ihren Point-of-Load-Anwendungen hohe Stromdichten zu erreichen. Allerdings hat die Trench-Struktur den Nachteil, dass sich erhebliche Kapazitäten zwischen Gate und Drain (Miller-Kapazität) sowie zwischen Gate und Source aufbauen. Infolge dieser großen Kapazitäten werden zum Schalten des Bauelements beträchtliche Ladungen benötigt. Dies verursacht während des Schaltvorgangs Verluste in der Treiberschaltung des Wandlers und im MOSFET. Daher erhöhten die Entwickler nur ungern die Schaltfrequenz, denn das hätte den Wirkungsgrad ihrer Schaltungen verringert.

Im Jahr 2007 kam der NexFET-Leistungs-MOSFET auf den Markt. Die NexFET-Struktur gestattet das Realisieren ähnlich niedriger spezifischer Durchlasswiderstände wie mit der TrenchFET-Struktur, führt jedoch zu weitaus geringeren störenden Kapazitäten. Dies resultiert in Gütemaßen (Figures of Merit, FOMs) von rund 50% der bisherigen Technologie sowohl für RDS_(ON) x Q_g als auch für RDS_(ON) x Q_gd. Aufgrund dieser verbesserten FOMs ist mit der NexFET-Technologie bei gleicher Frequenz ein höherer Wirkungsgrad erzielbar. Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist, dass die Energieverlustkurve flacher verläuft. Somit können höhere Schaltfrequenzen verwendet und Verbesserungen bei der Leistungsdichte erzielt werden.

Die Kombination der neuesten DC/DC-Wandler mit NexFET-Leistungs-MOSFETs ermöglicht also außerordentlich hohe Leistungen und bietet zugleich die anspruchsvollen Leistungsmerkmale, die für Multirail-Prozessoren erforderlich sind. Diese Schaltung hat einen Wirkungsgrad von über 90%, liefert einen Strom von 20 A und arbeitet mit einer Ausgangsschaltfrequenz von 600 kHz. Der Wirkungsgrad hat wegen der geringen Schaltverluste im Wandler und in den NexFET über die gesamte Lastkurve hinweg einen flachen Verlauf. //KU

* * Dirk Gehrke ...ist Applikationsmanager bei Texas Instruments in Freising für Bayern & Österreich.** Jeff Sherman...ist Produktmarketing-Ingenieur für den Geschäftsbereich Power Stage bei Texas Instruments/USA.

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