Verwendung spezieller Induktivitäten für Hochstrom-DC/DC-Wandler mit schnellen Transienten.

Rechenzentren und Serverracks benötigen kilowattweise Strom und hunderte Ampere Stromstärke. Die Bereitstellung dieser Gleichstromleistung stellt selbst bei niedrigen Spannungen eine konstruktive Herausforderung dar. Das Problem wird durch die Notwendigkeit von Mikrosekunden-Transientenreaktionszeiten verschärft, um einen Spannungsabfall von mehr als einigen Millivolt zu verhindern, der zu einem intermittierenden Schaltverhalten führen könnte.

Um die Reaktion auf kurzzeitige Transienten zu verbessern, sind Entwickler zu einer mehrphasigen DC/DC-Wandlertopologie übergegangen, bei der mehrere einphasige Abwärtswandler parallel verwendet werden. Dieser Ansatz hat jedoch aufgrund der unvermeidbaren parasitären Induktivität und des Widerstands der Ausgangskondensatoren, die beide die Einschwingzeit des Wandlers verlangsamen, inhärente Einschränkungen.

Um diese Schwäche zu überwinden, wurde eine fortschrittliche Mehrphasentopologie entwickelt, die als Transinduktiv-Spannungsregler (TLVR) bekannt ist. Der Schlüssel zu einer erfolgreichen TLVR-Implementierung sind zwei Hochstrominduktivitäten mit niedrigem Wert, eine für jede TLVR-Leistungsphase, und eine einzige Kompensationsinduktivität auf der Primärseite der TLVR-Induktivitäten.

Dieser Artikel untersucht die Herausforderungen im Zusammenhang mit Hochstrom-DC/DC-Wandlern und untersucht die Anwendung von mehrphasigen DC/DC-Topologien, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Anschließend wird die entscheidende Rolle von Kompensationsinduktivitäten beschrieben und anhand von Beispielkomponenten von Abracon erläutert, wie die Performanceanforderungen dieser Schaltungselemente erfüllt werden können.

Von einphasigen zu mehrphasigen Topologien

Bei der Bereitstellung einer regulierten Stromversorgung für Systeme wie Rechenzentren und Serverracks gibt es zwei miteinander verbundene Herausforderungen. Erstens benötigen sie Hunderte von Ampere Strom. Dieser statische maximale Strombedarf kann mit einem geeigneten Schaltwandlerdesign unter Verwendung hochwertiger Pufferkondensatoren zur Glättung der Schaltwelligkeit gedeckt werden.

Die zweite Herausforderung ist die dynamische Herausforderung aufgrund von Lasttransienten, da die Lasten schnell von einem Leerlaufzustand ohne oder mit geringer Last, der zur Reduzierung des Stromverbrauchs und zur Minimierung thermischer Probleme erforderlich ist, in ihren voll aktiven Zustand ansteigen. Der Wandler muss innerhalb von Mikrosekunden reagieren, ohne dabei die Nennspannung zu über- oder unterschreiten.

Obwohl es schwierig ist, diese Widersprüche zu überwinden, haben Entwickler von Stromversorgungen und Wandlern Wege gefunden, dies zu erreichen.

Beginnen wir mit dem einphasigen Wandler.

Der abwärtswandelnde (Buck) Standard-DC/DC-Wandler verwendet einen einphasigen Ansatz (Abbildung 1, links). Es nimmt eine Gleichstromschiene als Eingang, zerlegt sie in eine hochfrequente, rechteckförmige Wechselstromwelle und wandelt diese dann mithilfe eines Transformators oder einer anderen Vorrichtung herunter. Der resultierende nahezu reine Gleichstrom wird über Pufferkondensatoren gefiltert, um Welligkeit zu minimieren und einen Stromschub zu liefern, wenn die Last plötzlich mehr Strom benötigt. Um die Ausgangsleistung bei Lastschwankungen auf den gewünschten Wert zu regeln, passt der Wandler mithilfe einer Rückkopplung die Impulsbreite und das Tastverhältnis des zerhackten Signals an (Abbildung 1, rechts), sodass dessen Durchschnittswert dem Sollwert entspricht.

Abbildung 1: Zur Regelung moduliert der Einphasen-Wandler (links) das Ein-/Aus-Tastverhältnis der geschalteten Impulsbreite (rechts), um trotz Schwankungen des Laststroms eine stabile Gleichstromausgabe aufrechtzuerhalten. (Bildquelle: Abracon)

Dieses einphasige Design weist jedoch Mängel in seiner transienten Reaktion auf. Die unvermeidbaren parasitären Eigenschaften des effektiven Serienwiderstands (ESR) und der effektiven Serieninduktivität (ESL) des Kondensators verlangsamen dessen Reaktionszeit, wenn er versucht, den erforderlichen Strom zu liefern, wenn die Last vom Ruhemodus auf den maximalen Bedarf umschaltet.

Darüber hinaus muss der zusätzliche Strom, der bei einem Absinken der angelegten Spannung zum Kondensator fließt, durch die Induktivität des Wandlers fließen. Während eine Induktivität mit höherem Wert für bestimmte Aspekte der Wandlerperformance vorzuziehen ist, führt er auch zu einer langsameren Stromänderungsrate. Daher benötigt die Induktivität mehr Zeit, um den Stromwert zu erreichen, der zum Aufladen des Kondensators und zur Erfüllung der Lastanforderung erforderlich ist. Daher ist die Dimensionierung der Induktivitäten einer der vielen Kompromisse beim Design von Wandlern.

Nutzung eines mehrphasigen Ansatzes

Eine geniale Topologie, die die Einschränkungen des Einphasen-Wandlers überwindet, ist der Mehrphasen-Wandler, der mehrere parallel arbeitende einphasige Abwärtswandler verwendet. Dies gibt Entwicklern die Flexibilität, mehrere kleinere Induktivitäten gleichzeitig zum Betrieb der Last zu verwenden, anstatt sich auf eine einzige große Induktivität zu verlassen.

Der Strom zur Last ist die Summe der Ströme aus allen Phasen (Abbildung 2, links). Da die Induktivität in jeder Phase geringer ist als in einer einphasigen Ausführung, steigt der Strom schneller an. Dies führt zu einer schnelleren Reaktion und einem geringeren Spannungsabfall bei Lasttransienten (Abbildung 2, rechts).

Abbildung 2: Durch den Einsatz mehrerer Phasen in einer parallelen Anordnung (links) und die Summierung ihrer einzelnen Ausgänge ist die transiente Antwort des Mehrphasenwandlers wesentlich schneller und weist einen geringeren Spannungsabfall auf (rechts) als bei der einphasigen Topologie. (Bildquelle: Abracon)

Typischerweise wird eine einzelne Phase auf 30 bis 40 Ampere (A) begrenzt, obwohl auch höhere Werte möglich sind. Ein mehrphasiges Design besteht in der Regel aus zwei bis acht Phasen, wobei auch mehr Phasen möglich sind. Die Wahl zwischen weniger, leistungsstärkeren Phasen und einer höheren Anzahl weniger leistungsstarker Phasen erfordert zahlreiche Kompromisse zwischen verschiedenen Aspekten der elektrischen Leistung, der physischen Größe, der Stückliste (BOM) und den Kosten.

Verbesserung der mehrphasigen Option mit TLVR

Der Ausgang der mehrphasigen Schaltung benötigt Zeit, um die Phasen anzupassen, da sie nacheinander ausgelöst werden. Durch eine clevere Schaltungsoptimierung kann die Reaktionszeit des Wandlers verkürzt werden, indem gesteuert wird, wie jede Phase als Reaktion auf Lasttransienten ausgelöst wird. Dies geschieht mithilfe des TLVR-Ansatzes.

Diese mehrphasige DC/DC-Wandlertopologie bietet eine schnellere Transientenantwort durch Hinzufügen einer Reihenschaltung von Sekundärwicklungen über Induktivitäten, die alle Phasen miteinander koppeln. Dies ermöglicht wiederum eine gleichzeitige Induktion von Strom über die Phasen als Reaktion auf eine Erhöhung der Last (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die TLVR-Topologie fügt Zwischenphasen-Induktivitäten (oben) hinzu, um die Phasen zu koppeln und ihnen ein frühzeitigeres „Wissen“ über den Strombedarf zu ermöglichen (unten). (Bildquelle: Abracon)

Für die TLVR-Topologie sind die TLVR-Induktivitäten und die Kompensationsinduktivität von entscheidender Bedeutung. Erstere sind Spezialtransformatoren, bei denen die Primär- und Sekundärwicklungen aus zwei Kupferklammern bestehen, um Gleichstromverluste zu minimieren (Abbildung 4). Beide Clips sind in einem Magnetkern aus Ferrit oder einem Material auf Eisenbasis enthalten, wodurch die Primär- und Sekundärseite magnetisch gekoppelt sind. Der wesentliche Unterschied zwischen dem TLVR-Design und der grundlegenden Mehrphasenkonfiguration besteht darin, dass die Primärwicklung jedes TLVR-Induktors als Ausgangsinduktivität für jede Phase verwendet wird.

Abbildung 4: Die TLVR-Induktivität ist ein spezieller Transformator, der den Ausgang jeder Phase mit der nächsten Phase verbindet. (Bildquelle: Abracon)

Darüber hinaus sind die Sekundärkreise aller Phasen in Reihe zu einer einzigen Kompensationsinduktivität (LC) geschaltet (Abbildung 3, oben rechts). Jede Primärwicklungsspannung wird auf die entsprechende Sekundärwicklung übertragen. Da alle Sekundärwindungen in Reihe geschaltet sind, sieht die Kompensationsinduktivität die Summe aller dieser Wellenformen.

Im Betrieb beginnt die Spannung am Ausgang aufgrund des parasitären ESR und ESL des Kondensators zu fallen, wenn mehr Strom aus dem Wandler gezogen wird. Der Regelkreis erfasst diesen Abfall und reagiert darauf, indem er den Treiberstrom der jeweils aktiven Phase erhöht, sodass mehr Strom durch diese Phase fließt, um den Spannungsabfall zu begrenzen und den neuen Lastbedarf zu decken.

Aus diesem Grund bieten TLVRs im Vergleich zu herkömmlichen Mehrphasenwandlern eine überlegene Leistung. Wenn eine bestimmte Phase mehr Strom benötigt, wird diese neue Stromwellenform auf alle Primärwicklungen übertragen, da die Sekundärwicklung mit allen anderen Phasen gekoppelt ist. Das Ergebnis ist ein nahezu sofortiger Anstieg des Stroms in allen Phasen, da eine Phase auf das Rückkopplungssystem reagiert und dadurch einen Strom in den anderen Phasen induziert.

Der Begriff „Transinduktor“ im Namen TLVR ist auf diesen phasenverschobenen induktionsgekoppelten Ansatz zurückzuführen. Die kollektive Reaktion aller Phasen auf Laständerungen umgeht das Zeitintervall, das der Regler benötigt, um jede der anderen Phasen auszulösen, was zu einer schnelleren transienten Reaktion führt.

TLVR-Induktivitäten haben in der Regel ein Windungsverhältnis von 1:1, wobei beide Induktivitätswerte gleich sind. Der Induktivitätswert ist in erster Linie eine Funktion des Tastverhältnisses und der zulässigen Welligkeit des Stroms.

Die Induktionsspulenkonstruktion ist entscheidend für die Leistung des TLVR.

Passive Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten werden oft als einfache Bauelemente betrachtet. Obwohl sie konzeptionell einfach sind, ist die Realität kompliziert und weist viele Feinheiten auf. Die Induktivität ist möglicherweise das am meisten irreführende Bauteil, da es sich im Prinzip „nur“ um ein Stück gebogenen oder gewickelten Draht oder Leiter handelt.

Wie bereits erwähnt, wird in TLVR-Topologien für jede Leistungsphase eine TLVR-Induktivität (Lm_n) benötigt (Abbildung 5, unten), damit die Stromversorgung auf Systemebene mehrere hundert Ampere überschreiten kann.

Im Gegensatz dazu ist auf der Primärseite der TLVR-Topologie nur eine einzige Kompensationsinduktivität (Lc₁) (Abbildung 5, oben) erforderlich, um die Versorgung zu regeln. Dies wird durch Glättung und Anpassung der Phase relativ zur Spannung erreicht, wodurch die Phasenreserve erhöht und ein stabiler Betrieb gewährleistet wird.

Abbildung 5: Ein kompletter TLVR-Mehrphasenwandler benötigt pro Phase eine TLVR-Induktivität für die Phasenverbindung sowie eine einzige Kompensationsinduktivität, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. (Bildquelle: Abracon)

Induktivitäten der Serie AVR

Die in TLVR-Designs verwendete Kompensationsinduktivität muss einen niedrigen Gleichstromwiderstand aufweisen, hohe Ströme verarbeiten können, für einen breiten Temperaturbereich spezifiziert sein und eine geringe Baugröße aufweisen. Die AVR-Serie von Abracon (Abbildung 6) erfüllt diese Anforderungen mit ihrer Ferritkonstruktion, einem Induktivitätsbereich von 22 Nanohenry (nH) bis 680 nH, einem Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C, einem Gleichstromwiderstand (DCR) von nur 0,100 Milliohm (mΩ) und Sättigungsströmen bis zu 160 A.

Abbildung 6: Die Induktivitäten der AVR-Serie wurden speziell hinsichtlich Konstruktion, Bereich der wichtigsten Parameterwerte, Größe und weiteren Merkmalen entwickelt, um die besonderen Anforderungen herkömmlicher DC/DC-Wandler und die Kompensation in TLVR-Topologien zu erfüllen. (Bildquelle: Abracon)

Das Gehäuse der Kompensationsinduktivität trägt ebenfalls zum Erfolg eines kompakten Wandlerdesigns bei. Während bisher geformte Induktivitäten der Standard für kompakte Wandleranwendungen waren, bieten diese Induktivitäten eine verbesserte Performance bei geringeren Kosten.

Beispielsweise ist die AVR-1F070605S90NLT eine abgeschirmte 90 ±15% nH Induktivität (0,1 MHz/1,0 V) mit einer Größe von etwa 6 mm × 7 mm. Ihr DCR beträgt 0,17 ±30% mΩ, und ihr typischer Sättigungsstrom beträgt 50 A bei +25 °C und sinkt nur geringfügig auf 45 A bei +100 °C.

Für Anwendungen mit höheren Strömen ist die ungeschirmte 120 ±10% nH Induktivität (800 kHz und 0,8 V) AVR-1Z090610SR12KT geeignet. Dieses 9,5 mm × 10 mm große Bauteil verfügt über einen typischen DCR von 0,10 mΩ (maximal 0,12 mΩ) sowie einen Sättigungsstrom von 90 A bei +25 °C und 75 A bei +100 °C.

Fazit

Der Übergang von einem einphasigen DC/DC-Wandler zu einem mehrphasigen Ansatz und anschließend zu einer TLVR-Topologie führt zu einer überlegenen Performance in Anwendungen mit hohen und schnellen Lastströmen, die eine präzise Transientenantwort und eine hohe Ausgangsgenauigkeit erfordern. Durch die Erweiterung eines mehrphasigen Designs um eine TLVR-Induktivität für jede Phase sowie um eine einzige Kompensationsinduktivität kann dieser Ansatz die Designziele erfüllen. Für die erforderliche Kompensationsinduktivität bietet die AVR-Serie von Abracon fortschrittliche und kostengünstige Lösungen für die Mehrphasen-Spannungsregelung.