DC/DC-Buck-Schaltregler Elektrische und thermische Belastungen vermeiden

Datenserver und Einrichtungen der Kommunikationstechnik sind immense Energieverbraucher. Deren Abwärme hat bedeutenden Einfluss auf die Funktionssicherheit von Halbleitern und Festplatten und damit auf die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Um die thermische Belastung etwa im Störfall zu minimieren, wurde der DC/DC-Buck-Schaltregler LM3743 entwickelt.

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In Datencentern und Subsystemen für Telekommunikations-Basisstationen müssen zwei wichtige Faktoren miteinander in Einklang gebracht werden: Stromaufnahme und Kühlkapazität. Die Prozessoren von Servern in Rack-Bauweise nehmen beispielsweise erhebliche Leistung auf und gehören im regulären Betrieb zu den größten Wärmequellen. Deutliche Temperaturanstiege sowohl im Normalzustand als auch im Störfall gehen jedoch zu Lasten der Zuverlässigkeit vieler Bauelemente in den Server-Racks, seien es Halbleiterbausteine, Festplatten oder Lüfter. Mit dem Controller LM3743 lässt sich die Leistungsaufnahme im Störfall minimieren, um die thermische Belastung zu verringern und die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Der LM3743 (Bild 1) ist ein DC/DC-Buck-Schaltregler in Voltage-Mode-Technik mit Synchrongleichrichtung und einer Schaltfrequenz von wahlweise 300 kHz oder 1 MHz. Er kann Ausgangsströme bis zu 20 A liefern und Eingangsspannungen zwischen 3,0 und 5,5 V in Ausgangsspannungen ab einem Mindestwert von 0,8 V wandeln. Der hochintegrierte Baustein ist in einem platzsparenden Gehäuse der Bauart MSOP-10 untergebracht.

Weitere Merkmale des LM3743 sind die Softstart-Fähigkeit an Lasten mit vorgeladenen Eingangskapazitäten, die Tracking-Funktion sowie umfassende Störschutz-Eigenschaften, gedacht für hochzuverlässige Systeme wie etwa Server in Rack-Bauweise und Subsysteme für Telekommunikations-Basisstationen.

Die Störschutz-Eigenschaften des Bausteins LM3743

Zu den umfassenden Störungsschutz-Merkmalen des LM3743 gehören die Strombegrenzung des Haupt-MOSFETs Q1 (High Side Current Limit – HSCL), der ausgangsseitige Unterspannungsschutz (Under-Voltage Protection – UVP) und die Strombegrenzung des Synchronmosfets Q2 (Low Side Current Limit – LSCL). Wenn sie anspricht, kann jede dieser Funktionen einen sogenannten Hiccup-Protection-Modus initiieren, in dem die MOSFETs Q1 (High Side) und Q2 (Low Side) deaktiviert werden, um eine 5,5 ms dauernde Abkühlperiode zu beginnen (Bild 2).

Im Anschluss an diese Abkühlphase führt der LM3743 einen internen Softstart von 3,6 ms Dauer aus, um zu prüfen, ob die Störung beseitigt ist und den regulären Betrieb anschließend wieder aufzunehmen. Die Hiccup-Schutzfunktion erspart dem Designer die Überdimensionierung von Bauelementen, sodass die Materialkosten geringer ausfallen.

Um die Verlustleistung bei einer länger andauernden Störung zu quantifizieren, soll jetzt eine Beispiel-Applikation mit einem Stromlimit (ILIM) des Synchronmosfets Q2 von 10 A betrachtet werden. Bei Überlast wird der Talstrom in Q2 begrenzt und in der Induktivität und den MOSFETs kann nur einen Strom von durchschnittlich 10 A zuzüglich des Dreieckanteils des Spulenstroms ΔI fließen. Der nach 15 Schaltzyklen aktivierte Hiccup-Modus stellt sicher, dass es nur zu einem äußerst geringen Temperaturanstieg der MOSFETs kommt. Ist der Hiccup-Modus aktiviert, berechnet sich der durchschnittliche Strom IHS-AVE im Hauptmosfet Q1 wie in Formel 1.

Formel 2 zeigt den durchschnittlichen Strom ILS-AVE im Synchronmosfet Q2 bei einem Tastverhältnis D von beispielsweise 60%, ein ΔI von 3 A und 300 kHz Schaltfrequenz.

Die durchschnittliche Stromstärke IL-AVE in der Induktivität wiederum wird wie in Formel 3 berechnet.

Drei Beispiele zur Absicherung typischer Störungen

Server-Racks in Subsystemen von Telekommunikations-Basisstationen verlangen nach hoher Zuverlässigkeit, damit Datenübertragungen und Kommunikation ohne Unterbrechungen weiterlaufen können. Beim Auftreten einer unerwarteten Störung können die Störungsschutz-Eigenschaften des LM3743 helfen, zusätzliche elektrische und thermische Belastungen zu vermeiden. Mit welchen Schutzfunktionen der LM3743 ausgestattet ist und welche Vorteile sie für den Betrieb bieten kann anhand einiger typischer Störungen in Telecom-Systemen beantwortet werden.

Beispiel 1: Kurzschluss zwischen Ausgang und Masse. Angenommen, an einem Kondensator wie etwa einem POS-Kondensator (Solid Electrolytic Capacitor with Polymerized Organic Semiconductor) am Ausgang des LM3743 kommt es zu einem Kurzschluss, nachdem eine Spannungsspitze die zulässige Maximalspannung dieses Kondensators überschritten hat (Bild 3). In einer solchen Situation nehmen das Tastverhältnis und der Strom in der Induktivität von einem Zyklus zum anderen zu; die UVP-Funktion des LM3743 aktiviert den Hiccup-Modus und dadurch wird der Eingangsstrom verringert und eine Auswirkung des Kurzschlusses auf andere Systemkomponenten wird vermieden.

Beispiel 2: Kurzschluss zwischen Schaltknoten und Masse. Ein Metallteil, das entweder von außen in das Produkt fällt oder sich bereits innen befand und beim Transport seine Position ändert, soll einen Kurzschluss zwischen dem Schaltknoten (VSW) und Masse verursachen (Bild 4). Die Strombegrenzung des Hauptmosfets Q1 registriert diesen Kurzschluss sofort.

Beispiel 3: Leitungsunterbrechung im Synchronmosfet Q2. Thermische Überhitzung durch zu große Belastung und/oder ein falsch gewählter Synchronmosfet Q2 führen zu dessen Ausfall in Form einer Leitungsunterbrechung wie in Bild 5 dargestellt. Dadurch fließt der Strom in der Induktivität nicht in der Zeit, in der Q2 eingeschaltet sein sollte. Dementsprechend nimmt dieser Strom von einem Zyklus zum anderen zu. Die Strombegrenzung des Haupt-MOSFETs Q1 erfasst dieses Überstrom-Ereignis und schützt diesen dadurch vor Überhitzung und anschließendem Ausfall.

Automatischer Restart vermeidet Folgeschäden

In jedem der drei Beispiele sorgt der LM3743 dafür, dass die Störung möglichst keine Folgeschäden nach sich zieht. Er verringert den durchschnittlichen Eingangsstrom und bewahrt die Leistungsbausteine vor Überhitzung, wenn die Störung länger anhält. Ist die Unregelmäßigkeit behoben, prüft der LM3743 alle Fehlerbedingungen und versucht mit einem neuen Softstart in den Normalbetrieb zurückzugelangen. Da dies ohne Zutun des Anwenders erfolgt, verringern sich die Wartungskosten und die Komplexität der Schaltung.

*Ricardo Capetillo ist Senior Applications Engineer in National Semiconductors Linear and Low Voltage Group in Santa Clara, California/USA.

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