Power-Tipp Wandlung auf Core-Spannung in einem Schritt

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Neue Module zur direkten Spannungswandlung von 48 V auf Kernspannung ermöglichen alternative Spannungsversorgungsarchitekturen, welche klein, kompakt und besonders effizient sind. Wir zeigen dies am Beispiel des uModuls LTP8800-4A.

Was haben digitale Prozessoren in Rechenzentren, High-End-FPGAs, größere Prozessoren für künstliche Intelligenz (KI) und Supercomputer gemeinsam? Sie benötigen eine Spannungsversorgung für die Kernspannung (Core Voltage). Die Kernspannung liegt typischerweise unter 1 V und die Strompegel reichen von unter 100 A bis zu 1 kA und höher.

Solche Hochstrom- und Niederspannungsversorgungen sind schwer zu bauen. Der Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung muss hoch sein, um den Kühlaufwand solcher Netzteile zu reduzieren.

Auch müssen diese Spannungswandler meistens kompakt ausgeführt werden, damit sie in der Nähe der Lasten (Prozessoren) platziert werden können. Das ist notwendig, um wenig parasitäre Leitungsinduktivität zwischen der Spannungsversorgungsschaltung und der Last zu haben. Eine kleinere parasitäre Induktivität verbessert die schnelle Reaktion auf Lasttransienten. Damit lässt sich die Versorgungsspannung besser regeln.

Herkömmliche Wandlerarchitekturen

Bild 1 zeigt eine übliche Spannungswandler-Architektur. Hierbei wird eine Versorgungsspannung von 48 V auf eine Zwischenkreisspannung von 12 V gewandelt, welche dann in einem zweiten Schritt auf die eigentliche Kernspannung von <1 V geregelt wird.

Diese zwei Wandlungsschritte haben den Nachteil, dass sich selbst bei hohen Effizienzen insgesamt keine allzu hohe Effizienz ergibt. Selbst wenn der erste und auch der zweite Wandlungsschritt eine Effizienz von 93 % bietet, erhält man insgesamt nur eine Effizienz von ca. 87 % (0,93 x 0,93 = 0,8649).

In Bild 2 ist eine elegante Wandlerarchitektur mit dem neuen uModul LTP8800-4A gezeigt. Es ist dafür konzipiert, dass in einem Schritt von 48 V direkt auf eine Kernspannung von beispielsweise 0,8 V gewandelt werden kann. Bei einem Laststrom von 100 A bietet diese Lösung eine Effizienz von über 90 %.

Das Modul kann jedoch einen Strom bis zu 200 A am Ausgang liefern. Mehrere dieser Bausteine können parallel betrieben werden, um 1.000 A oder höher zu generieren. Für manche High-end-Prozessoren werden derartig hohe Kernströme benötigt.

Kernspannung einem Schritt erzeugen

Kernspannungswandler wie der LTP8800-4A erzeugen in einem Schritt eine Kernspannung zwischen 0,5 und 1,1 V bei hohen Strömen bis zu 200 A. Eine herkömmliche Schaltung mit einem Abwärtswandler (Buck-Wandler) würde bei einer Wandlung von 48 nach 0,5 V mit nur ca. 1 % Tastzyklus arbeiten, welches schwierig umzusetzen ist. Schaltregler haben üblicherweise eine minimale Einschaltzeit, welche ein Pulsbreitenverhältnis von nur 1 % bei höheren Schaltfrequenzen verhindert. Auch würde eine solcher Betrieb und nur eine geringe Wandlungseffizienz bieten.

Durch den Wegfall der Zwischenkreisspannung kann das System platzsparender aufgebaut werden. Es wird nur noch eine Wandlerstufe benötigt. Die Versorgungsspannung kann kostenoptimiert mit einem reduzierten Kupferbedarf ausgeführt werden, da die hohe Versorgungsspannung von 48 bzw. 54 V direkt bis zum Spannungswandler für die Kernspannung geführt wird.

Mithilfe eines uModuls lässt sich eine exzellente Spannungsversorgung ohne den schwierigen Schaltungsentwurf für eine solchen Spannungsversorgung entwerfen. Die Schaltung ist klein, kompakt und kann einfach auf einer Platine neben der digitalen Last platziert werden.

Neue Kernspannungswandler, wie der LTP8800-4A, haben moderne digitale Steuermöglichkeiten durch den PMbus-Anschluss. Damit lassen sich Spannungen, Ströme, Temperaturen und auftretende Fehler einfach erkennen. Ein internes EEPROM ist zum Abspeichern von eventuell auftretenden Fehlern in der Schaltung ausgelegt. Die Regelschleife des Spannungswandlers kann durch den digitalen Anschluss optimiert werden. (kr)

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

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