Rauscharme Versorgung von FPGAs und ASICs bei hoher Leistungsdichte in einem kleinen Formfaktor

Digitale ICs mit hohen Stromanforderungen, wie FPGAs und ASICs, stehen zunehmend im Mittelpunkt von eingebetteten Systemen für Anwendungen wie Automobilelektronik, Medizintechnik, Telekommunikation, Industrie, Gaming und Audio/Video für Verbraucher. Viele dieser Anwendungen sind missionskritisch, wie z. B. Fahrerassistenzsysteme in Kraftfahrzeugen (ADAS), und müssen sehr zuverlässig sein, wie z. B. in Rechenzentren.

Zusätzlich zu den Stromanforderungen haben diese Niederspannungskomponenten enge Toleranzvorgaben für ihre Stromschienen. Die Bereitstellung dieser Leistung mit Effizienz, Genauigkeit, schnellem Einschwingverhalten, Stabilität und geringem Rauschen ist entscheidend für die Systemleistung und -integrität.

Herkömmliche Schaltregler und Leistungssubsysteme haben potenzielle Rauschprobleme, sowohl auf ihren Ausgangsschienen als auch in Form von abgestrahlten elektromagnetischen Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI), unzureichendem Einschwingverhalten und Layout-Einschränkungen. Um das Rauschen zu minimieren, werden in einigen Anwendungen kleine und rauscharme Regler mit geringem Spannungseinbruch (LDO) eingesetzt, die im Vergleich zu früheren LDOs einen besseren Wirkungsgrad bieten. Dennoch können selbst diese LDOs in der Regel die Anforderungen an die Systemeffizienz nicht erfüllen, was zu Problemen bei der Wärmeabgabe führt.

Die effiziente Alternative zum LDO ist der Schaltregler, aber diese Komponenten haben aufgrund ihrer Takt- und Schaltfunktion ein höheres Eigenrauschen. Dieses Rauschen muss gemildert werden, wenn die Entwickler die Vorteile dieser Schaltbauteile voll ausschöpfen wollen.

Zum Glück gibt es neue Möglichkeiten, Rauschen und Effizienz in Einklang zu bringen. Dieser Artikel befasst sich mit den jüngsten Innovationen im Bereich der Leistungsumwandlung, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad, minimalen Platzbedarf und ein stark reduziertes Rauschen der Schaltregler auszeichnen. Es wird untersucht, wie innovative Schaltregler die vielfältigen Ziele für Lasten im einstelligen Spannungsbereich unter 10 Ampere (A) erfüllen können, und es werden die winzigen Silent-Switcher-ICs der Familie LTC33xx von Analog Devices als Beispiele vorgestellt.

Das Strom-/Spannungsgebot

Als Transistoren und ICs in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts erfunden und weiterentwickelt wurden, war einer ihrer vielen Vorzüge, dass ihr Strombedarf pro Funktion im Vergleich zu den Vakuumröhren, die sie ersetzten, sehr gering war - leicht um den Faktor 100 oder mehr. Dieser Fortschritt führte jedoch schon bald zu einer höheren Funktionsdichte pro Gerät und Leiterplatte, so dass ICs heute Dutzende von Ampere pro Schiene benötigen, und das oft auf mehreren Schienen.

Zu den ICs, die diese hohen Ströme benötigen und die die damit verbundene hohe Leistung letztlich als Wärme abführen müssen, gehören feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) und anwendungsspezifische ICs (ASICs). Beide werden häufig in eingebetteten Geräten in der gesamten Elektronikindustrie eingesetzt, z. B. in Geräten der Bereiche Automobilelektronik, Medizintechnik, Industrie, Kommunikation, Gaming und Audio/Video für Verbraucher.

Der vom FPGA oder ASIC benötigte Strom kann über einen AC/DC-Wandler für netzbetriebene Geräte oder einen DC/DC-Wandler für batteriebetriebene Geräte bezogen werden. In beiden Fällen ist ein nachgeschalteter DC/DC-Abwärtsregler (Buck) erforderlich, um die einstellige Schienenspannung für die Last bei den erforderlichen Stromstärken bereitzustellen und zu verwalten.

Eine Möglichkeit, die nötige Leistung bereitzustellen, ist die Verwendung eines einzigen DC/DC-Abwärtsreglers zur Unterstützung aller Komponenten auf der Leiterplatte, der seitlich oder in einer Ecke der Leiterplatte platziert wird, um Probleme mit der Wärmeableitung zu lösen und die DC/DC-Architektur auf Systemebene zu vereinfachen.

Diese einfach klingende Lösung hat jedoch ihre Tücken:

• Zunächst gibt es den unvermeidlichen IR-Abfall zwischen dem Regler und den Lasten aufgrund der Entfernung und der hohen Stromstärken (ΔV-Abfall = Laststrom I × Leiterbahnwiderstand (R)). Die Lösungen hierfür bestehen darin, die Leiterbahnbreite oder -dicke zu erhöhen oder eine Sammelschiene zu verwenden, was jedoch wertvollen Platz auf der Leiterplatte verbraucht und die Stückliste erhöht.
• Eine Technik zur Überwindung des IR-Abfalls ist die Fernabtastung der Spannung an der Last, die jedoch nur bei einer einzigen, nicht gestreuten Last gut funktioniert. Sie bringt auch neue Probleme mit potenziellen Schwingungen mit sich, da die Induktivität der längeren Versorgungsschiene und der Messleitungen das Einschwingverhalten des Reglers und der Schienen beeinflussen kann.
• Und schließlich - und das ist oft das schwierigste Problem - sind längere Stromschienen auch anfälliger für EMI/RFI-Störungen oder strahlen Störungen entlang ihrer Länge ab, so dass sie wie Antennen wirken. Die Lösung erfordert in der Regel zusätzliche Bypass-Kondensatoren, Inline-Ferritperlen und andere Maßnahmen. Je nach Ausmaß und Häufigkeit kann dieses Rauschen den zuverlässigen Betrieb der Lasten beeinträchtigen und die Einhaltung der verschiedenen gesetzlichen Vorschriften zu Emissionen von Rauschen erschweren.

Das Problem von Rauschen gegenüber Effizienz

Es ist wichtig anzumerken, dass das Problem „Rauschen versus Effizienz“ bei DC/DC-Reglern ein anderes Szenario ist als die üblichen Kompromisse bei der technischen Entwicklung. In der Situation bei der Entwicklung geht es oft darum, Kompromisse zu bewerten und den „optimalen Punkt“ zu finden, bei dem sich vorteilhafte und nachteilige Eigenschaften die Waage halten.

Was ist der Unterschied zu dieser Situation? Die meisten Kompromissszenarien erlauben es dem Entwickler, bewusst weniger von einem gewünschten Parameterwert im Austausch für mehr von einem anderen zu akzeptieren, wobei er sich entlang eines Kontinuums von Kompromissen bewegt (Abbildung 1, oberer Teil).

Abbildung 1: In den meisten Entwurfssituationen kann der Ingenieur verschiedene Leistungsabwägungen entlang eines relativ kontinuierlichen Pfades vornehmen (oben), aber im Hinblick auf das Verhältnis Rauschen/Effizienz von Schaltreglern und LDOs enden die Entwürfe entweder auf der einen oder auf der anderen Seite, wobei es kaum einen „Mittelweg“ gibt (unten). (Bildquelle: Bill Schweber)

Der Entwickler kann beispielsweise einen Operationsverstärker wählen, der mehr Strom verbraucht (schlecht), um eine höhere Anstiegsgeschwindigkeit (gut) im Vergleich zu einem anderen Operationsverstärker zu erreichen; ein Kompromiss ist akzeptabel oder für die Anwendung notwendig.

Bei Schaltreglern und LDOs sind die Rausch- und Wirkungsgradattribute jedoch weitgehend in ihre Struktur „eingebacken“. Ein Entwickler kann zum Beispiel nicht sagen, dass er einen LDO mit 20 % mehr Rauschen akzeptiert, wenn er im Gegenzug einen um 10 % verbesserten Wirkungsgrad bietet - einen solchen Kompromiss gibt es nicht. Stattdessen klafft eine Lücke in der Spanne zwischen den Attributen (Abbildung 1, unterer Teil).

Silent-Switcher-Regler lösen das Dilemma der Kompromisse

Eine alternative und in der Regel bessere Lösung ist die Verwendung einzelner DC/DC-Regler, die so nah wie möglich an ihren Last-ICs angebracht sind. Dies minimiert den IR-Abfall, den Platzbedarf auf der Leiterplatte sowie die Aufnahme und Abstrahlung von Schienenrauschen. Damit dieser Ansatz praktikabel ist, bedarf es jedoch kleiner, effizienter und rauscharmer Regler, die in der Nähe der Last platziert werden können und dennoch alle Stromanforderungen erfüllen.

Hier sind die vielen Silent-Switcher-Regler die Problemlöser. Diese Regler liefern nicht nur einstellige Ausgangsspannungen bei Stromstärken von wenigen Ampere bis zu 10 A, sondern auch ein extrem geringes Rauschen, das durch den Einsatz mehrerer Designinnovationen erreicht wird.

Mit Silent Switcher 1 (erste Generation) und Silent Switcher 2 (zweite Generation) ändern diese Regler die konventionelle Sichtweise zwischen LDOs und Schaltreglern. Die Entwickler dieser Komponenten haben die verschiedenen Rauschquellen identifiziert und Möglichkeiten zur Dämpfung der einzelnen Rauschquellen entwickelt.

Beachten Sie, dass die Silent-Switcher-Regler nicht die bekannte und legitime „Spreizspektrum“-Technik verwenden, bei der dem Taktsignal pseudozufälliges Rauschen hinzugefügt wird. Dadurch wird das Rauschspektrum erweitert und die Amplitude bei der Taktfrequenz und ihren Oberwellen verringert. Die Spreizspektrums-Taktung kann zwar dazu beitragen, die gesetzlichen Grenzwerte einzuhalten, sie reduziert jedoch nicht die Gesamtenergie des Rauschens und kann sogar Teile des Spektrums verrauschen lassen, die die Leistung der Schaltung beeinträchtigen.

Zu den Vorteilen der Komponenten der Generation Silent Switcher 1 gehören eine geringe elektromagnetische Interferenz, ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Schaltfrequenz, die einen Großteil des verbleibenden Rauschens aus den Bereichen des Spektrums entfernt, in denen es den Systembetrieb stören oder zu rechtlichen Problemen führen würde. Zu den Vorteilen von Silent Switcher 2 gehören alle Merkmale der Silent-Switcher-1-Technologie sowie integrierte Präzisionskondensatoren, eine geringere Größe der Lösung und die Eliminierung der Empfindlichkeit gegenüber dem Leiterplattenlayout.

Aufgrund ihres winzigen Formfaktors (nur wenige Millimeter (mm) im Quadrat) und ihrer Effizienz können diese Regler sehr nahe am Last-FPGA oder ASIC platziert werden, wodurch die Leistung maximiert und Unsicherheiten zwischen den Leistungsangaben auf dem Datenblatt und der Realität in der Anwendung beseitigt werden. Sie ändern das „binäre“ Dilemma, das darin besteht, entweder mehr Rauschen oder weniger Effizienz in Kauf nehmen zu müssen, und ermöglichen es den Entwicklern, bei Rauschen und Effizienz das Beste aus beiden Eigenschaften herauszuholen.

Wie wurden die Vorteile der Silent Switcher realisiert? Dies geschah durch einen vielschichtigen Ansatz:

• Die Hauptursache für Rauschen in einem Schaltnetzteil sind geschaltete Ströme, nicht stationäre Ströme. In der Topologie eines herkömmlichen Schaltreglers gibt es einen Stromflusspfad, der als heiße Schleife bezeichnet wird. Diese heiße Schleife ist keine unabhängige Stromschleife, sondern nur eine virtuelle Stromschleife, die sich aus den Komponenten von zwei realen Stromschleifen zusammensetzt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die übliche Schaltreglertopologie hat eine virtuelle Stromschleife, die so genannte heiße Schleife; sie setzt sich aus den Komponenten zweier realer Stromschleifen zusammen und hat geschaltete Stromflüsse. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Silent-Switcher-2-Technologie von Analog Devices macht die kritischen heißen Schleifen durch die Integration von Eingangskondensatoren im IC-Gehäuse so klein wie möglich. Durch die Aufteilung der heißen Schleife in zwei symmetrische Formen werden außerdem zwei Magnetfelder entgegengesetzter Polarität erzeugt, wodurch sich das abgestrahlte Rauschen weitgehend auslöscht.

• Die Architektur der zweiten Generation unterstützt schnelle Schaltflanken für einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Schaltfrequenzen und erzielt gleichzeitig eine gute EMI-Performance. Interne Keramikkondensatoren an der DC-Eingangsspannung (V_IN) halten alle schnellen AC-Stromschleifen klein und verbessern so die EMI-Performance.
• Die Silent-Switcher-Architektur nutzt proprietäre Design- und Verpackungstechniken, um die Effizienz bei sehr hohen Frequenzen zu maximieren und eine extrem niedrige EMI-Performance zu ermöglichen, wobei die EMI-Spitzengrenzwerte der CISPR-25-Klasse 5 durch die Verwendung äußerst kompakter und robuster Designs problemlos eingehalten werden.
• Active Voltage Positioning (AVP), eine Technik, bei der die Ausgangsspannung vom Laststrom abhängig ist, wird verwendet. Bei geringer Last wird die Ausgangsspannung über den Nennwert geregelt, während bei Volllast die Ausgangsspannung unter den Nennwert geregelt wird. Die DC-Lastregelung wird angepasst, um das Einschwingverhalten zu verbessern und den Bedarf an Ausgangskondensatoren zu verringern.

Die vielen Familien von Silent Switcher

Silent-Switcher-Regler sind in vielen Familien und Modellen erhältlich, mit unterschiedlichen Spannungs-/Stromwerten innerhalb jeder Familie. Einige zusätzliche Überlegungen variieren von Modell zu Modell, wie z. B. die feste oder die einstellbare Ausgabe. Zu den verschiedenen Mitgliedern der Familie LTC33xx gehören die folgenden Komponenten:

• LTC3307: synchroner Silent-Switcher-Abwärtsregler für 5 Volt, 3 A in einem 2 mm × 2 mm großen LQFN-Gehäuse
• LTC3308A: synchroner Silent-Switcher-Abwärtsregler für 5 Volt, 4 A in einem 2 mm × 2 mm großen LQFN-Gehäuse
• LTC3309A: synchroner Silent-Switcher-Abwärtsregler für 5 Volt, 6 A in einem 2 mm × 2 mm großen LQFN-Gehäuse
• LTC3310: synchroner Silent-Switcher-Abwärtsregler für 5 Volt, 10 A in einem 3 mm × 3 mm großen LQFN-Gehäuse

Bei dem LTC3310 handelt es sich um einen sehr kleinen, rauscharmen, monolithischen DC/DC-Abwärtswandler, der bei einer Eingangsspannung von 2,25 bis 5,5 V einen Ausgangsstrom von bis zu 10 A liefern kann; der V_OUT-Bereich liegt zwischen 0,5 V und V_IN. Die Schaltfrequenzen reichen von 500 Kilohertz (kHz) bis hin zu 5 Megahertz (MHz). Er benötigt nur wenige externe passive Komponenten und hat einen Wirkungsgrad von etwa 90 % über den größten Teil seines Ausgangslastbereichs (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der DC/DC-Abwärtsregler LTC3310 erfordert nur wenige externe aktive Komponenten und bietet über den größten Teil seines Lastbereichs einen hohen Wirkungsgrad. (Bildquelle: Analog Devices)

Es ist in vier Grundversionen erhältlich. Die Bausteine zeichnen sich durch niedrige EMI und einen hohen Wirkungsgrad bei Schaltfrequenzen bis zu 5 MHz aus, und es gibt Versionen der LTC3310-Familie, die nach AEC-Q100 für die Automobilindustrie qualifiziert sind. Beachten Sie, dass sowohl die Bausteine der ersten Generation (SS1) - LTC3310 - als auch die Bausteine der zweiten Generation (SS2) - LTC3310S und LTC3310S-1 - als Bausteine mit einstellbarem und festem Ausgang erhältlich sind (Tabelle 1):

Tabelle 1: Der LTC3310 wird in vier Grundversionen angeboten, die Designs der ersten und zweiten Generation sowie feste und einstellbare Ausgänge umfassen. (Bildquelle: Analog Devices)

Bei den einstellbaren Versionen wird die Ausgangsspannung über einen Widerstandsteiler zwischen dem Ausgang und dem Feedback-Pin (FB) fest programmiert, wobei eine einfache Gleichung zur Bestimmung des korrekten Widerstandswertes verwendet wird (Abbildung 5).

Abbildung 5: Zur Ermittlung der Ausgangsspannung der einstellbaren LTC3310-Bausteine ist lediglich ein einfaches Widerstandsteiler-Netzwerk erforderlich, das auf einer einfachen Gleichung beruht. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Rauschpegel liegen in der Regel im Bereich von einigen zehn Mikrovolt. Zwei wichtige Indikatoren für die niedrigen Rauschpegel der LTC3310-Bausteine sind die Rauschprüfungen, die in Übereinstimmung mit den relevanten CISPR25-Grenzwerten der Klasse 5 durchgeführt wurden. Dazu gehören das leitungsgebundene Rauschen (Abbildung 6) und das abgestrahlte Rauschen sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Ebene (Abbildung 7).

Abbildung 6: Ein ordnungsgemäß verwendeter Regler auf Basis des LTC3310S erfüllt die strengen CISPR25-Grenzwerte für leitungsgebundene EMI-Emissionen (mit Spitzenwert der Klasse 5). (Bildquelle: Analog Devices)

Abbildung 7: Bei den Tests zur Abstrahlung von Emissionen erfüllt der LTC3310S sowohl die EMI-Anforderungen für die horizontale (links) als auch die vertikale (rechts) Ebene gemäß CISPR25. (Bildquelle: Analog Devices)

Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal der LTC3310-Familie ist die einfache Parallelschaltung der Bausteine für den mehrphasigen Betrieb mit höheren Strömen - eine Funktion, die von vielen anderen Schaltreglern nicht oder nur schwer unterstützt wird. Die einfachste Form der Parallelschaltung ist der zweiphasige Betrieb mit einem Strom von bis zu 20 A (Abbildung 8). Der Ansatz kann leicht auf drei, vier oder mehr Phasen und entsprechend höhere Ströme erweitert werden.

Abbildung 8: Mit ein paar zusätzlichen Komponenten können zwei oder mehr LTC3310-Bausteine für den mehrphasigen Betrieb mit höheren Strömen kombiniert werden; dargestellt ist die zweiphasige 20A-Konfiguration. (Bildquelle: Analog Devices)

Evaluierungsboards verkürzen Entwicklungszyklen

Regler wie der LTC3310 sind direkt einsetzbar, da sie keine Initialisierungsregister, softwaregesteuerten Funktionen oder andere komplizierte Einstellungen haben. Dennoch ist es technisch sinnvoll, ihre statische und dynamische Performance zu evaluieren und die Werte der passiven Komponenten zu optimieren, bevor man sich auf ein endgültiges Layout oder eine bestimmte Stückliste festlegt. Die Verfügbarkeit von LTC3310-Evaluierungsboards macht diesen Prozess sehr viel einfacher. Analog Devices bietet eine Auswahl solcher Boards an, die auf verschiedene Versionen und Konfigurationen des LTC3310 abgestimmt sind:

• Das DC3042A unterstützt den Baustein LTC3310 mit einstellbarem Ausgang (Abbildung 9).

Abbildung 9: Das Evaluierungsboard DC3042A ist für den LTC3310 mit einer vom Benutzer einstellbaren Ausgangsspannung ausgelegt. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Dokumentation enthält nicht nur Anleitungen zur grundlegenden Einrichtung und zum Betrieb, sondern auch einen Schaltplan, ein Platinenlayout und eine Stückliste (BOM). Außerdem werden die verschiedenen Prüfpunkte und Anschlüsse sowie die Anordnung der Messfühler für die Messung der Ausgangswelligkeit und der Sprungantwort angegeben (Abbildung 10).

Abbildung 10: Das Benutzer-Demohandbuch zum DC3042A enthält klare Angaben zu den Prüfpunkten und Anschlüssen (oben) sowie zum Messaufbau und zur Konfiguration für die Messung von Ausgangswelligkeit und Sprungantwort. (Bildquelle: Analog Devices)

• Für den LTC3310S-1 mit fester Ausgangsspannung gibt es das Evaluierungsboard DC3021A (Abbildung 11).

Abbildung 11: Für den LTC3310S-1 mit einer nicht vom Benutzer einstellbaren Ausgangsspannung ist das Evaluierungsboard DC3021A die richtige Wahl. (Bildquelle: Analog Devices)

• Für die etwas komplexere mehrphasige Parallelschaltung schließlich gibt es das DC2874A-C (Abbildung 12). Auf diesem Evaluierungsboard arbeitet der LTC3310S als mehrphasiger 2,0MHz-Abwärtsregler mit einer Spannung von 3,3 bis 1,2 V. Das DC2874A verfügt über drei Aufbauoptionen für zweiphasige 20A-, dreiphasige 30A- oder vierphasige 40A-Ausgangslösungen.

Abbildung 12: Das Evaluierungsboard DC2874A-C für den LTC3310S bietet drei Aufbauoptionen: zweiphasige 20A-, dreiphasige 30A- oder vierphasige 40A-Ausgänge. (Bildquelle: Analog Devices)

Durch die Verwendung des LTC3310S und die Beschäftigung mit dem entsprechenden Evaluierungsboard und dem dazugehörigen Benutzerhandbuch können Entwickler den Zeitaufwand für die Entwicklung von DC/DC-Reglern minimieren.

Fazit

Bisher mussten sich Ingenieure zwischen zwei gegensätzlichen DC/DC-Reglertopologien entscheiden, deren Eigenschaften sich deutlich voneinander unterscheiden. LDOs bieten einen sehr rauscharmen DC-Ausgang, haben aber einen geringen bis mäßigen Wirkungsgrad, was sie zu einer thermischen Herausforderung macht, wenn sie mehr als 1 A ausgeben. Im Gegensatz dazu bieten Schaltregler Wirkungsgrade im Bereich von 90 %, fügen aber der DC-Ausgangsschiene Rauschen hinzu und sind außerdem eine Quelle von leitungsgebundenem und insbesondere abgestrahltem Rauschen, das leicht dazu führen kann, dass das Produkt die vorgeschriebenen regulatorischen Tests nicht besteht.

Glücklicherweise verwenden die Silent-Switcher-Familien von Analog Devices eine Vielzahl innovativer Designtechniken, die dieses Dilemma, sich für das eine oder das andere zu entscheiden, überwinden und zu hocheffizienten, sehr rauscharmen Regleroptionen mit kleinem Formfaktor führen.