Wirkungsgrad und Leistungsdichte erhöhen

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ET System electronic GmbH

TRACO ELECTRONIC GMBH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Micrel Inc.

Der Buck-Regler im HyperLight-Load-Betrieb

Bild 5 zeigt ein typisches HLL-Blockdiagramm. Ähnlich wie der PWM-Abwärtsregler nutzt auch der HLL-Regler die Eigenschaften von Induktivitäten, Kondensatoren und Schalttransistoren, um wechselweise die Energie zum Ausgang zu liefern. Im Gegensatz zu standardisierten PWM-Abwärtsreglern nutzt die HyperLight-Load-Architektur von Micrel ein adaptives Verfahren für die Einschaltzeit, das kurzfristig auftretenden und dynamischen Laständerungen am Ausgang mit einem einfachen Regelkreis entgegenwirkt. Diese Methode braucht lediglich einen Komparator und kommt ohne Slope-Kompensation oder Fehlerverstärker (EA) aus, was sonst zu längerer Reaktionszeit führt. Während eines Lastwechsels wird die auftretende Veränderung der Ausgangsspannung durch ein Rückkoppelnetzwerk überwacht, und der Komparator ändert sofort die Einschaltdauer, um der Veränderung in der Ausgangsspannung entgegenzuwirken.

Wenn die Feedback-Spannung größer ist als der Wert der Bandlücke (energetische Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband), dann schaltet Transistor Q1 aus und Q2 ein. Dadurch wird der Strom, der vom Eingang zum Ausgang fließt kleiner. Es bleibt Q1 solange ausgeschaltet, bis die Ausgangsspannung heruntergeregelt ist. Fällt die Feedback-Spannung unter die Referenzspannung, dann schaltet Q1 für eine konstante Zeit ein. Diese Zeit ist durch Anschaltdauer und Frequenz (typischerweise 4 MHz) bestimmt (t_ein = D/f).

Diese konstante Einschaltzeit sorgt dafür, dass ein einziger Komparator die Ausgangsspannung regeln kann. Die reduzierte Schaltverzögerung im Regelkreis erhöht mittels einfachem Steuerblock die Bandbreite. Somit besitzen HLL-Bausteine bei Laständerungen das schnellste Einschwingverhalten in dieser Klasse (ein Beispiel zeigt Bild 6).

Bestmöglicher Wirkungsgrad unter allen Lastbedingungen

Das HyperLight-Load-Baustein hat zwei Funktionsweisen, die, abhängig von der Last, intern automatisch festgelegt werden: Bei geringem Ausgangsstrom wird durch Pulsfrequenzmodulation (PFM) gesteuert (diskontinuierlicher Modus). Während bei höheren Ausgangsströmen (kontinuierlicher Modus) die Funktionsweise für konstante Einschaltzeit zum Tragen kommt. Diese kombinierte Regelmethode garantiert den bestmöglichen Wirkungsgrad unter sämtlichen Lastbedingungen.

Typische Festfrequenz-PWM-Abwärtsregler sind bei geringen Lasten aufgrund ihrer Schaltverluste wenig effizient. Um den Wirkungsgrad nun bei geringen Ausgangsströmen zu verbessern, arbeiten die HLL-Abwärtsregler mit Pulsfrequenz-Modulation (PFM). Bei niedrigem Ausgangsstrom kann der Ausgangskondensator die Spannung während der Aus-Zeit von Q1 länger aufrechthalten. Während der Einschaltzeit von Q1 steigt die Ausgangsspannung.

Im diskontinuierlichen Betrieb ist der Ruhestrom etwa 20 mA

Wenn Q1 ausgeschaltet ist, dann ist auch der Regelkreis inaktiv; lediglich der Komparator ist aktiv. Dadurch wird in der Aus- Phase Strom gespart. Während die Ausgangsspannung lastabhängig langsam abnimmt, wird diese ständig mit der Referenzspannung verglichen. Sobald sie unter die Referenzspannung fällt, veranlasst der Komparator den Regelkreis, Transistor Q1 wieder einzuschalten. Die Schaltfrequenz nimmt entsprechend des Ausgangsstroms im diskontinuierlichen Modus zu und ab.

Dadurch wird ein übermäßiges Schalten vermieden und Leistungsverluste werden reduziert. Da der Großteil des Schaltkreises im diskontinuierlichen Modus inaktiv ist, sinkt der Ruhestrom in den 20-µA-Bereich, was die HLL-Abwärtsregler auch bei geringen Lasten außergewöhnlich effizient macht. Bei höheren Ausgangsströmen verhalten sich die HLL-Abwärtsregler wie andere PWM-Abwärtsregler und schalten mit einer relativ konstanten Frequenz. Bild 7 vergleicht den Wirkungsgrad des LDO mit einem typischen Buck-Regler und einem typischen HyperLight-Load-Regler von Micrel.

Erhöhte Leistungsdichte und wenige kleine externe Bauteile

Was den HLL-Regler MIC23153-GYMT 2A für die Anwendung so interessant macht, ist nicht allein die technische Seite der Lösung, sondern auch seine Baugröße von gerade einmal 2,5 mm x 2,5 mm (Bild 8). Die hohe Schaltfrequenz von 4 MHz erlaubt den Einsatz niedriger Induktivitäten und Kapazitäten in der Ausgangskompensation, sodass die Gehäusegröße externer Bauteile kleiner ausfallen. Eine Induktivität mit 3 mm x 3 mm, drei 0402-Kondensatoren mit 1,0 mm x 0,5 mm und ein Power-Good-Pull-up-Widerstand sind die einzigen externen Bauteile, die nötig sind. Damit ist die Gesamtfläche der 2-A-Buck-Regler-Lösung gerade einmal 20 mm² groß. Gegenüber traditionellen Reglern bedeutet das eine beträchtliche Erhöhung der Leistungsdichte, was die HyperLight-Load-Technik im Besonderen auszeichnet.

Der Nutzen von HyperLight Load in künftigen Designs

Der Markt für mobile Elektroniksysteme ist ein sehr wettbewerbsintensiver und sich rasant verändernder Markt. Er ist außerdem von leistungsstarken Geräten und Systemen zu geringen Kosten, miniaturisierten Baugrößen und einem hohem Leistungsgrad geprägt.

Die HyperLight Load-Produktfamilie von Micrel ist ganz speziell für die Nachfrage nach vorbehaltlos hohem Wirkungsgrad, sehr schnellem Einschwingverhalten bei Laständerung und weiterer Miniaturisierung für eine Steigerung der Leistungsdichte entwickelt worden. Weiteren Innovationen sind keine Grenzen gesetzt. Aufgrund des weltweit großen Bedarfs nach immer höherer Leistungsfähigkeit und immer kleineren tragbaren Geräten, werden die HyperLight-Load-Regler auch weiterhin die Branche vorwärts treiben, zusammen mit den Systemdesignern, die ständig nach den innovativ- sten Leistungsreglern für ihre Entwürfe suchen

* * Brian Huang ... ist Applikationsingenieur bei Micrel Inc in San Jose, Kalifornien.

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