Warum und wie man synchrone DC/DC-Abwärtswandler einsetzt, um den Wirkungsgrad der Abwärtswandlung zu maximieren

Der Bedarf, hohe Busspannungen auf niedrigere Spannungen zu reduzieren, um ICs und andere Lasten zu versorgen, wächst in einer Vielzahl von Systemen, wie z. B. in der Automobilindustrie, der industriellen Automatisierung, der Telekommunikation, der Computertechnik, bei Haushaltsgroßgeräten und in der Unterhaltungselektronik. Die Herausforderung für die Entwickler besteht darin, diese Abwärtswandlung mit maximalem Wirkungsgrad, minimaler thermischer Belastung, zu geringen Kosten und mit der kleinstmöglichen Lösungsgröße durchzuführen.

Herkömmliche asynchrone Abwärtswandler bieten eine potenziell kostengünstige Lösung, haben aber auch geringere Umwandlungswirkungsgrade, die den Anforderungen vieler elektronischer Systeme nicht gerecht werden. Entwickler können auf synchrone DC/DC-Wandler und synchrone DC/DC-Regler zurückgreifen, um kompakte Lösungen mit hohen Wirkungsgraden zu entwickeln.

Dieser Artikel beschreibt kurz die Leistungsanforderungen elektronischer Systeme für hocheffiziente DC/DC-Wandlung und geht auf den Unterschied zwischen asynchronen und synchronen DC/DC-Wandlern ein. Anschließend werden verschiedene Design-Optionen für synchrone DC/DC-Wandler von Diodes, Inc., STMicroelectronics und ON Semiconductor vorgestellt, zusammen mit Evaluierungsboards und Design-Anleitungen, die die Entwicklung von hocheffizienten Lösungen beschleunigen können.

Warum synchrone DC/DC-Wandler benötigt werden

Die wachsenden Anforderungen an höhere Wirkungsgrade in allen Arten von elektronischen Systemen in Verbindung mit zunehmender Systemkomplexität führen zu einer entsprechenden Evolution von Leistungssystemarchitekturen und Leistungsumwandlungstopologien. Mit einer wachsenden Anzahl unabhängiger Spannungsdomänen zur Unterstützung zunehmender Funktionalität werden verteilte Leistungsarchitekturen (DPAs) in immer mehr elektronischen Systemen eingesetzt.

Anstelle mehrerer isolierter Stromversorgungen zur Ansteuerung der verschiedenen Lasten verfügt ein DPA über eine isolierte AC/DC-Stromversorgung, die eine relativ hohe Verteilungsspannung erzeugt, und mehrere kleinere Abwärtswandler, die die Verteilungsspannung je nach Bedarf der einzelnen Lasten auf eine niedrigere Spannung herunterwandeln (Abbildung 1). Die Verwendung mehrerer Abwärtswandler bietet die Vorteile einer geringeren Größe, eines höheren Wirkungsgrads und einer besseren Leistung.

Abbildung 1: Verteilte Stromversorgungsarchitektur mit der isolierten AC/DC-Hauptstromversorgung (Frontend) und den mehreren nicht isolierten DC/DC-Wandlern zur Versorgung von Niederspannungslasten. (Bildquelle: DigiKey)

Der Auswahlprozess zwischen asynchronen und synchronen Abwärtswandlern basiert auf den Kompromissen zwischen Kosten und Effizienz. Wenn die niedrigsten Lösungskosten erforderlich sind und ein geringerer Wirkungsgrad und eine höhere thermische Belastung akzeptiert werden können, kann eine asynchrone Lösung bevorzugt werden. Wenn hingegen der Wirkungsgrad im Vordergrund steht und eine kühlere Lösung bevorzugt wird, ist ein teurerer synchroner Abwärtswandler im Allgemeinen die bessere Wahl.

Synchrone vs. asynchrone Abwärtsregler

Eine typische Anwendung eines asynchronen Abwärtswandlers ist in Abbildung 2 dargestellt. Der LM2595 von ON Semiconductor ist ein monolithisch integrierter Schaltkreis, der den Hauptleistungsschalter und die Steuerschaltung enthält. Er ist intern kompensiert, um die Anzahl der externen Komponenten zu minimieren und das Design des Netzteils zu vereinfachen. Er liefert einen typischen Umwandlungswirkungsgrad von 81 % und gibt 19 % der Leistung als Wärme ab, während eine synchrone Abwärtswandlerlösung einen typischen Umwandlungswirkungsgrad von ca. 90 % hat und nur 10 % der Leistung als Wärme abgibt. Das bedeutet, dass die thermischen Verluste in einem asynchronen Abwärtswandler fast doppelt so groß sind wie die thermischen Verluste in einem synchronen Abwärtswandler. Daher vereinfacht die Verwendung eines synchronen Abwärtswandlers die Herausforderungen des Wärmemanagements erheblich, da die erzeugte Wärmemenge reduziert wird.

Abbildung 2: Typische Anwendung eines asynchronen Abwärtswandlers mit dem Ausgangsgleichrichter (D1), dem Ausgangsfilter (L1 und Cout) und dem Rückkopplungsnetzwerk (Cff, R1 und R2). (Bildquelle: ON Semiconductor)

In einem synchronen Abwärtswandler, wie dem ST1PS01 von STMicroelectronics, wird der Ausgangsgleichrichter durch eine synchrone MOSFET-Gleichrichtung ersetzt (Abbildung 3). Der geringere Durchlasswiderstand des synchronen MOSFETs im Vergleich zum Ausgangsgleichrichter in einem asynchronen Abwärtswandler reduziert die Verluste und führt zu deutlich höheren Umwandlungswirkungsgraden. Der synchrone MOSFET befindet sich intern im IC, so dass keine externe Gleichrichterdiode erforderlich ist.

Abbildung 3: Synchrone Abwärtswandlerschaltung, die den Wegfall der externen Ausgangsgleichrichterdiode zeigt. Ausgangsfilterung und Rückkopplungskomponenten sind weiterhin erforderlich. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Der höhere Wirkungsgrad und die geringere thermische Belastung, die mit einem synchronen Abwärtswandler möglich sind, haben ihren Preis. Mit einem einzigen Leistungs-Schalt-MOSFET und einer Diode zur Gleichrichtung sind asynchrone Abwärtswandler-Steuerungen viel einfacher (und kleiner), da sie sich nicht mit der Möglichkeit des Querschlusses oder eines Durchschlags befassen müssen und es keinen synchronen FET zu steuern gibt. Eine synchrone Abwärtswandlertopologie erfordert einen komplizierteren Treiber und eine Querschlussschutzschaltung zur Steuerung beider Schalter (Abbildung 4). Die Sicherstellung, dass nicht beide MOSFETs gleichzeitig einschalten und einen direkten Kurzschluss erzeugen, erfordert mehr Komplexität und führt zu größeren und teureren ICs.

Abbildung 4: Blockschaltbild des synchronen Abwärtswandler-ICs mit den beiden integrierten MOSFETs (neben dem mit „SW“ gekennzeichneten Pin) und der zusätzlichen Treiber-/Anti-Querschlussschaltung. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Obwohl pulsbreitenmodulationsgesteuerte synchrone Abwärtswandler unter moderaten oder Volllastbedingungen effizienter sind, liefern asynchrone Abwärtswandler unter Bedingungen geringer Last häufig höhere Umwandlungseffizienzen. Das ist jedoch immer weniger der Fall, da die neuesten synchronen Abwärtswandler-Implementierungen mehrere Betriebsmodi umfassen, die es den Entwicklern ermöglichen, den Wirkungsgrad bei niedriger Last zu optimieren.

Synchroner Abwärtsregler für 5-Volt- und 12-Volt-Stromverteilung

Für Entwickler, die 5 und 12 Volt Stromverteilung in Konsumgütern und Haushaltsgroßgeräten verwenden, bietet Diodes, Inc. den AP62600, einen synchronen 6A-Abwärtswandler mit einem weiten Eingangsbereich von 4,5 bis 18 Volt. Der Baustein integriert einen High-Side-Leistungs-MOSFET mit 36 Milliohm (mΩ) und einen Low-Side-Leistungs-MOSFET mit 14 mΩ für eine hocheffiziente DC/DC-Abwärtswandlung.

Der AP62600 benötigt aufgrund seiner konstanten Einschaltdauer (COT) nur minimale externe Komponenten. Außerdem bietet er ein schnelles Einschwingverhalten, eine einfache Schleifenstabilisierung und eine geringe Ausgangsspannungswelligkeit. Das Design des AP62600 wurde für die Reduzierung elektromagnetischer Störungen (electro-magnetic interference, EMI) optimiert. Die Komponente nutzt ein proprietäres Gate-Treiber-Schema, um Schaltknotenklingeln vorzubeugen, ohne die Ein- und Ausschaltzeiten der MOSFETs zu beeinträchtigen, Das reduziert das abgestrahlte hochfrequente EMI-Rauschen, das durch das Schalten der MOSFETs verursacht wird. Die Komponente ist in einem V-QFN2030-12-Gehäuse (Typ A) erhältlich.

Es gibt einen Power-Good-Indikator, der den Benutzer auf eventuell auftretende Fehlerzustände aufmerksam macht. Ein programmierbarer Sanftanlaufmodus steuert den Einschaltstrom beim Einschalten und ermöglicht es Entwicklern, bei der Verwendung mehrerer AP62600 zur Versorgung großer integrierter Komponenten wie FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), anwendungsspezifischer ICs (ASICs), digitaler Signalprozessoren (DSPs) und Mikroprozessoreinheiten (MPUs) ein Leistungssequenzierung zu realisieren.

Der AP62600 bietet Entwicklern die Möglichkeit, zwischen drei Betriebsarten zu wählen, um die spezifischen Anforderungen der einzelnen Anwendungen zu erfüllen (Abbildung 5). Mit dem gepulsten Frequenzmodulationsbetrieb (PFM) kann ein hoher Wirkungsgrad über alle Lasten hinweg realisiert werden. Weitere verfügbare Modi sind die Pulsweitenmodulation (PWM), um die beste Restwelligkeit zu erzielen, und ein Ultraschallmodus (USM), der hörbare Geräusche bei leichten Lasten unterdrückt.

Abbildung 5: Der AP62600 bietet Entwicklern die Möglichkeit, zwischen drei Betriebsarten zu wählen, um die Anforderungen verschiedener Anwendungen zu erfüllen: PFM, USM und PWM. (Bildquelle: Diodes, Inc)

Um Entwicklern den Einstieg in die Nutzung des AP62600 zu erleichtern, bietet Diodes, Inc. das Evaluierungsboard AP62600SJ-EVM an (Abbildung 6). Das AP62600SJ-EVM bietet ein einfaches Layout und ermöglicht den Zugriff auf die entsprechenden Signale über Testpunkte.

Bild 6: Das Evaluierungsboard AP62600SJ-EVM bietet eine einfache und komfortable Evaluierungsumgebung für den AP62600. (Bildquelle: DigiKey)

Synchroner Abwärtsregler für 24-Volt-Busse

Der L6983CQTR von STMicroelectronics verfügt über einen Eingangsbereich von 3,5 bis 38 Volt und liefert einen Ausgangsstrom von bis zu 3 A. Entwickler können den L6983 in einer Vielzahl von Anwendungen einsetzen, z. B. in industriellen 24-Volt-Stromversorgungssystemen, batteriebetriebenen 24-Volt-Geräten, dezentralen intelligenten Knoten, Sensoren sowie in immer aktiven und rauscharmen Anwendungen.

Der L6983 basiert auf einer Spitzenstromarchitektur und ist in einem QFN16-Gehäuse (3 mm x 3 mm) mit interner Kompensation untergebracht, wodurch die Komplexität und Größe des Designs minimiert wird. Der L6983 ist sowohl im verbrauchsarmen Modus (LCM) als auch im rauscharmen Modus (LNM) erhältlich. Der verbrauchsarme Modus (Low Consumption Mode, LCM) maximiert den Wirkungsgrad bei geringer Last und kontrollierter Welligkeit der Ausgangsspannung. Der rauscharme Modus (Low Noise Mode, LNM) sorgt für eine konstante Schaltfrequenz und minimiert den Überlaststrombereich der Ausgangsspannung, wodurch die Anforderungen für rauscharme Anwendungen erfüllt werden. Der L6983 ermöglicht die Wahl der Schaltfrequenz im Bereich von 200 Kilohertz (kHz) bis 2,3 Megahertz (MHz) mit optionalem Spreizspektrum für verbesserte EMV.

STMicroelectronics bietet das Evaluierungsboard STEVAL-ISA209V1 an, um Entwicklern die Möglichkeit zu geben, die Fähigkeiten des synchronen monolithischen Abwärtsreglers L6983 zu ergründen und mit der Entwicklung ihrer Designs schnell zu starten.

Synchroner Abwärtsregler für Computer- und Telekommunikationsdesigns

Der NCP1034DR2G von ON Semiconductor ist ein Hochspannungs-PWM-Controller, der für leistungsstarke synchrone Abwärts-DC/DC-Anwendungen mit Eingangsspannungen bis zu 100 Volt entwickelt wurde. Diese Komponente ist für den Einsatz in der nicht-isolierten 48-Volt-Leistungsumwandlung in eingebetteten Telekommunikations-, Netzwerk- und Computeranwendungen vorgesehen. Der NCP1034 treibt ein Paar externer n-Kanal-MOSFETs, wie in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: Typische Anwendungsschaltung für den synchronen Abwärtsregler-IC NCP1036 mit den High-Side- und Low-Side-MOSFETs (Q1 bzw. Q2). (Bildquelle: ON Semiconductor)

Der NCP1036 verfügt über eine programmierbare Schaltfrequenz von 25 kHz bis 500 kHz und einen Synchronisations-Pin, über den die Schaltfrequenz extern gesteuert werden kann. Das Vorhandensein dieser beiden Frequenzsteuerungen ermöglicht es Entwicklern, den optimalen Wert für jede spezifische Anwendung auszuwählen und den Betrieb mehrerer NCP1034-Steuerungen zu synchronisieren. Die Komponente verfügt außerdem über eine benutzerprogrammierbare Unterspannungsabschaltung und einen Ruckelstrom-Begrenzungsschutz. Für Niederspannungsdesigns kann eine intern getrimmte 1,25-Volt-Referenzspannung für eine präzisere Ausgangsspannungsregelung verwendet werden.

Zum Schutz des Geräts und der Anlage sind vier Unterspannungsabschaltungen vorgesehen. Drei sind spezifischen Funktionen gewidmet; zwei schützen die externen High-Side- und Low-Side-Treiber, und einer schützt den IC vor einem vorzeitigen Start, bevor VCC unter einem festgelegten Schwellenwert liegt. Die vierte Unterspannungs-Sperrschaltung kann vom Entwickler über einen externen Widerstandsteiler programmiert werden: Solange VCC unter dem vom Benutzer eingestellten Schwellenwert liegt, bleibt der Regler ausgeschaltet.

Um Entwicklern den Einstieg in die Verwendung des NCP1034 zu erleichtern, bietet ON Semiconductor das Evaluierungsboard NCP1034BCK5VGEVB an (Abbildung 8). Dieses Evaluierungsboard wurde mit mehreren Optionen zur Unterstützung einer Vielzahl von Systemanforderungen entwickelt. Der IC wird von einem Linearregler versorgt, wobei der Entwickler durch die Wahl des entsprechenden Widerstandes entscheiden kann, ob dies mit einer Zenerdiode oder einem Hochspannungstransistor geschieht. Der Entwickler hat außerdem die Wahl zwischen einer Kompensation des zweiten Typs (Spannungsmodus) oder des dritten Typs (Strommodus), wählbaren Keramik- oder Elektrolyt-Ausgangskondensatoren und verschiedenen Eingangskapazitätswerten. Es gibt zwei Steckleistenpins: einen für den einfachen Anschluss an eine externe Synchronisations-Impulsquelle, damit das Board direkt mit dem anderen NCP1034-Demoboard verbunden werden kann; der andere für den Anschluss an den SS/SD-Pin, der zum Herunterfahren des Controllers verwendet werden kann, indem er mit Masse verbunden wird.

Abbildung 8: Das Evaluierungsboard NCP1034BCK5VGEVB enthält mehrere Optionen, die Entwicklern einen schnellen Einstieg ermöglichen. (Bildquelle: DigiKey)

Fazit

Die Notwendigkeit, hohe Busspannungen auf niedrigere Spannungen zu reduzieren, um ICs und andere Lasten zu versorgen, wird zunehmend in einer Vielzahl von Systemen benötigt, z. B. in der Automobilindustrie, der industriellen Automatisierung, der Telekommunikation, der Computertechnik, bei Haushaltsgroßgeräten und in der Unterhaltungselektronik.

Die Herausforderung für die Entwickler besteht darin, diese Abwärtswandlung mit maximalem Wirkungsgrad, minimaler thermischer Belastung, zu geringen Kosten und mit der kleinstmöglichen Lösungsgröße durchzuführen.

Empfohlene Lektüre

1. Nichtsynchrone Abwärtswandler bieten einen höheren Wirkungsgrad bei leichteren Lasten
2. Das Erzeugen mehrerer Ausgänge aus einem einzigen synchronen Abwärtswandler ist einfach