Power-Tipp Sehr genaue Regelung bei Spannungen von 24 Ampere

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Dieser Tipp stellt einen neuen Spannungsversorgungs-IC vor, der hohe Ausgangsströme und Regelgenauigkeit mit niedrigen Wandlerverlusten und niedrigen Störungen bietet und sich durch eine digitale Anbindung steuern lässt. Einsatzgebiete sind Rechenzentren und Speicher.

Es gibt sehr viele unterschiedliche Spannungsversorgungs-ICs, die für verschiedene Anwendungen optimiert sind. Im Kommunikationsbereich, bei Speicheranwendungen sowie in industriellen Anwendungen werden mittlerweile sehr genau geregelte Spannungen bei hohen Strömen benötigt, die bisher nicht von Standard-ICs abgedeckt werden.

Das ist insbesondere bei optischen Transceivern der Fall. Hier müssen auch Lasttransienten schnell ausgeregelt werden, damit die Versorgungsspannung nur wenig vom Nominalwert abweicht. Alles in allem eine anspruchsvolle Aufgabe für eine Spannungsversorgung. Bild 1 zeigt die Anwendung eines optischen Transceivers in einem Kommunikationssystem oder Rechenzentrum.

Üblicherweise haben solche Anwendungen besonders hohe Anforderung an die Genauigkeit der Versorgungsspannung. Der in Bild 1 gezeigte getaktete Spannungswandler, welcher die Spannung für den optischen Transceiver erzeugt, arbeitet nach dem Buck-Prinzip und hat eine DC-Genauigkeit von ±0.25% über dem gesamten zulässigen Temperaturbereich von –40 bis 150°C, wenn die Ausgangsspannung zwischen 0,6 und 1,375 V eingestellt ist. Der hohe Temperaturbereich ist notwendig, da Rechenzentren eine sehr hohe Leistungsdichte aufweisen und dadurch trotz hoch effizienten Spannungswandlern hohe Verluste generieren. Diese erhöhen die Temperatur der Schaltung auf sehr hohe Werte.

Für eine genaue Regelung ist es neben der DC-Genauigkeit auch sehr wichtig, eine hohe Genauigkeit bei Lasttransienten sicherzustellen. Diese kann mit einer schnellen Regelschleife des Spannungswandlers und mit vielen, qualitativ hochwertigen, Ausgangskondensatoren erreicht werden. Nachdem diese Kondensatoren kostenintensiv sind und Platz brauchen, wird versucht, die Regelung des Spannungswandler-ICs zu beschleunigen. Beim LT7176 (Bild 2) wird diese schelle Regelung durch eine ‚Controlled On-Time Valley Current-Mode‘-Regelung erreicht. Im Vergleich zu anderen Lösungen lässt sich eine Reduktion des Über- und Unterschwingens der Ausgangsspannung aufgrund von Lasttransienten von ca. 30% realisieren.

Für geringste EMV-Störungen und höchste Wandlereffizienz wird die Silent Switcher-Technologie verwendet. Diese ermöglicht schnelle Schalttransienten bei sehr geringer abgestrahlter EMV. Die schnellen Schaltübergänge führen zu geringen Schaltverlusten des getakteten Spannungswandlers und somit ist eine hohe Schaltfrequenz bis zu 3 MHz bei sehr hoher Wandlereffizienz möglich.

Um die Ausgangsspannungswelligkeit des LT7176 noch zusätzlich zu reduzieren, gibt es eine abgewandelte Version, den LT7176-1. Dieser Baustein ist dem LT7176 sehr ähnlich, bietet beim selben maximalen Ausgangsstrom von 24 A jedoch zwei phasenversetzte Kanäle. Für diese Lösung werden jedoch zwei Induktivitäten benötigt. Solche Induktivitäten, welche jeweils nur für die halbe Leistung ausgelegt sein müssen, sind mit einer niedrigeren Bauhöhe erhältlich und können bei Schaltungen hilfreich sein, welche in der Bauhöhe begrenzt sind.

Neben der genauen Spannungsregelung ist eine hohe Zuverlässigkeit der Spannungswandlung wichtig. Durch eine digitale Anbindung des LT7176 können der Zustand der Eingangs- sowie Ausgangsspannung, des Eingangsstroms, die Temperatur des Halbleiters sowie weitere Fehlerzustände abgefragt werden. Ausgangsspannung, Strombegrenzung, Ein-/Abschaltvorgänge, Softstart und Softstop bis hin zur Regelschleifenkompensation lassen sich über die vorhandene PMbus-Anbindung am LT7176 ausführen.

Bild 3 zeigt die grafische Benutzeroberfläche von LTpowerPlay, womit die Schaltung evaluiert werden kann und diverse Einstellungen gemacht werden können. (kr)

* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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