Power-Module setzen sich durch aber wählen Sie sorgfältig aus

Transkript

1 Power-Module setzen sich durch aber wählen Sie sorgfältig aus Power-Module sind die erste Wahl, wenn man die Erfahrung von Stromversorgungsexperten nutzen und sein Design schnell auf den Markt bringen will aber die Auswahl sollte sehr sorgfältig erfolgen. Der Aufbau des Power-Moduls trägt entscheidend zur Leistungsfähigkeit einer Stromversorgung bei. Einleitung Ob bei der Einschätzung von Abwärts-Schaltregler-ICs (Controller mit FET) oder bei Power-Modulen, deren Integration und einfache Anwendung im Rahmen eines kompletten Stromversorgungs-Subsystems bevorzugt wird Systementwickler stehen heute überall vor Herausforderungen. Sie müssen mehr Leistung und mehr Funktionen auf immer kleinerem Raum unterbringen, was die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Systems nachteilig beeinflusst. Entwickler müssen bei der Integration der Stromversorgung viele Hürden überwinden. Dazu zählt die hohe Wahrscheinlichkeit der Rauschkopplung, wenn Bauteile sich in nächster Nähe befinden. Auch die Wärmeableitung ist zu berücksichtigen, vor allem wenn immer mehr Leistung auf einer kleineren Fläche gefordert wird. Zum Glück werden Power-Module stetig weiterentwickelt, um diese Anforderungen durch verschiedene Architektur- und Topologie-Ansätze zu erfüllen. Maximale Performance mit dem kleinsten Gehäuse ist die Devise. Diese Neuerungen stellen den Systementwickler aber auch vor die Qual der Wahl, sich für das optimale Power-Modul zu entscheiden. Die verschiedenen Techniken der unterschiedlichen Power-Module können die Gesamtsystemkosten sowie wichtige Leistungsparameter wie die Wärmeableitung, das Transientenverhalten, die Störspannung und sogar die einfache Anwendung beeinflussen. Der Käufer sollte sich also vorher sorgfältig informieren. Modular contra diskret Für Systementwickler gibt es viele Gründe, sich für ein Power-Modul zu entscheiden, anstatt einen Leistungswandler mit diskreten Bauelementen aufzubauen nicht der Einfachheit halber, sondern auch aufgrund der schnelleren Markteinführung. Da bei einem Power-Modul nur die Eingangs- und Ausgangskondensatoren mit hinzuzufügen sind, lässt sich das Design relativ schnell und einfach fertigstellen mit der Gewissheit dass die grundlegenden Leistungs- und Platzanforderungen erfüllt werden. Ein Power-Modul ist ein komplettes Leistungswandlersystem in einem gekapselten Gehäuse, das einen PWM-Controller, synchron schaltende MOSFETs, Induktivitäten und passive Bauelemente enthält (Bild 1). Intersils Power-Modul ISL8203M bietet zum Beispiel eine sehr niedrige Bauhöhe von 1,83 mm, was der Höhe eines 1206-Kondensators entspricht. Es bietet hervorragende elektrische und thermische Eigenschaften, um alle Kundenanforderungen zu erfüllen. In der Regel wäre dieser Wissensstand ausreichend. Weiß man aber mehr über den Aufbau dieses Moduls, können spezielle Parameter und Funktionen weiter beeinflusst werden. 1 Intersil

2 Bild 1: Hochintegrierte Power-Module benötigen lediglich Ein- und Ausgangskondensatoren und eventuell einige wenige zusätzliche Bauelemente, um die Designanforderungen zu erfüllen Das Power-Modul ISL8203M im Detail Das ISL8203M ist ein komplettes DC/DC-Power-Modul, das niedrige Ausgangsspannungen von 0,8 bis 5 V bereitstellt und sich somit für jede Low-Power-/Low-Voltage-Anwendung eignet. Der Versorgungsspannungsbereich erstreckt sich von 2,85 bis 6 V. Die beiden Kanäle sind 180 phasenverschoben, um den Eingangseffektivstrom und elektromagnetische Störungen (EMI) zu verringern. Jeder Kanal kann bis zu 3 A Ausgangsstrom bereitstellen. Die beiden Kanäle lassen sich kombinieren, um einen 6A-Ausgang mit Stromaufteilung zu erhalten. In diesem Modus sorgt die Verschachtelung der beiden Kanäle für eine geringe Ein- und Ausgangsstörspannung. Das ISL8203M ist nur 1,83 mm hoch und belegt 6,5 mm x 9 mm Fläche (Bild 2). Mit seinem Ein-/Ausgangs- Spannungs-/Strombereich bietet es das branchenweit kompakteste Gehäuse (Tabelle 1). Das Gesamtvolumen des Gehäuses beträgt nur 107 mm 3, was wesentlich weniger ist als bei allen anderen Power-Modulen. Obwohl das ISL8203M-Gehäuse sehr kompakt ist, bietet es immer noch einen sehr guten Wirkungsgrad (Bild 3). Bild 2: Das Power-Modul ISL8203M misst nur 6,5 mm x 9 mm x 1,83 mm 2 Intersil

3 Tabelle 1: Das ISL8203M ist das branchenweit kompakteste, gekapselte 6A-Power-Modul Power-Modul Strom Eingang Ausgang Gesamtgröße Wettbewerber 1 Dual 4A / Single 8A 2,375V 5,5V 0,8 5 V 15 x 15 x 2,82 mm 635 mm 3 Wettbewerber 2 Single 6A 2,375 6,6 V 0,6 5 V 11 x 8 x 1,85 mm 163 mm 3 Wettbewerber 3 Single 6A 2,95 6 V 0,8 3,6 V 11 x 9 x 2,8 mm 277 mm 3 ISL8203M Dual 3A / Single 6A 2,8V to 6V 0,8 5 V 9 x 6,5 x 1,83 mm 107 mm 3 A. Ein 3A-Ausgang bei 5Vin B. Paralleler 6A-Ausgang bei 5Vin Bild 3: Wirkungsgrad des ISL8203M bei verschiedenen Spannungs-/Strombedingungen am Ausgang Kleines Modulgehäuse bietet hervorragende Thermal Performance Das ISL8203M wird im QFN-Gehäuse (Quad-Flat, No-Leads) mit Kupferband (Leadframe) ausgeliefert. Dabei ist die innere Komponente direkt auf das Kupferband gelötet (Bild 4). Die Drahtverbindungen erfolgen von der Oberseite der inneren Komponente zum Leadframe, um eine elektrische Verbindung herzustellen. Anschließend erfolgt das Vergießen zu einem vollständig gekapselten Gehäuse. Dieser Aufbau sorgt dafür, dass die durch die innere Komponente erzeugte Wärme über das Kupfer direkt in den Leadframe geleitet wird, der eine Wärmleitfähigkeit von ca. 385 W/mK aufweist. Dies entspricht der 1000-fachen Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte mit ca. 0,343 W/mK. Das Kupferband trägt also zu einer wesentlich effizienteren Wärmeableitung bei als bei einem leiterplattenbasierten Modul. Da das Kupferband zudem sechs Mal dicker als 1 Unze (28,3 g) verteiltes Kupfer auf einer Leiterplatte ist, trägt der Modul- Leadframe dazu bei, die Wärme über eine größere Fläche zu verteilen. Damit beschleunigt sich der Wärmetransport in die Leiterplatte. Die Thermal Performance des Moduls kann besser sein als eine diskrete Lösung, bei der die Bauteile direkt auf die Leiterplatte gelötet werden. 3 Intersil

4 Bild 4: Der innere Aufbau des ISL8203M Zu beachten ist, dass das Vergussmaterial eine ähnliche Wärmeverteilung wie das Kupferband aufweisen kann. Obwohl dieses Material eine geringere Wärmeleitfähigkeit bietet, kann die Wärme weiterhin durch die Vergussmasse horizontal in das Kupferband abgeführt werden. Die Vergussmasse erhöht die effektive Wärmeübertragungsfläche von der inneren Komponente und verringert damit den Wärmewiderstand zwischen dem Innen- und Außenbereich. Dies ist ein weiterer wichtiger Vorteil von Power-Modulen: die Möglichkeit, hohe Leistung in einem kleinen Gehäuse anstatt über eine diskrete Lösung bereitzustellen. Die Thermal Performance eines ISL8203M auf einem Standard-Evaluierungsboard mit vier Lagen und zwei Unzen Kupfer auf den oberen und untern Lagen, sowie einer Unze Kupfer auf der Mittellage ist in Bild 5 dargestellt. Im Worst Case mit 5 Vin und 3,3 Vout / 6A ohne Luftzirkulation und einer Umgebungstemperatur von 25 C beträgt die maximale Modultemperatur nur 66,8 C. Bild 5: Im Worst Case bei der Wandlung von 5 Vin auf 3,3 Vout / 6 A ohne Luftzirkulation und bei einer Umgebungstemperatur von 25 C erreicht das ISL8203M eine maximale Temperatur von nur 66,8 C Bei Transienten bietet ein Current-Mode Power-Modul eine höhere Leistungsfähigkeit Für Modulanwendungen gibt es zwei Regelschemata: Current-Mode und Voltage-Mode. Um ein schnelles Einschwingverhalten unter verschiedenen Lastbedingungen zu garantieren, verwendet der ISL8203M eine Current-Mode-Regelung für die Ausgangsspannung (Bild 6). Die Stromabtastung erfolgt mit der Spannung 4 Intersil

5 über dem Durchlasswiderstand (Rdson) des FETs im synchronisierten Abwärtswandler. Dieser Strom wird anschließend in den Stromverstärker gespeist. Der Ausgang wird einer Flankenkompensation unterzogen bevor er mit dem Ausgang des Ausgangs-Fehlerverstärkers verglichen wird, um schließlich das PWM-Signal zu erzeugen. Über den Treiber kann das PWM-Signal den synchronisierten Abwärtswandler ansteuern, um die erforderliche Spannungsregelung zu erzielen. Die Kompensation für den Fehlerverstärker wird benötigt, um die Schleifenverstärkung und den Phasenrand zu erhöhen und eine bessere Performance und Stabilität zu erzielen. Die Voltage-Mode-Steuerung ist einfacher als die Current-Mode-Steuerung. Sie ersetzt den gestrichelten Block in Bild 6a durch eine Sägezahnrampe mit fester Frequenz (Bild 6b). Der Sägezahn wird anstelle des Stromerfassungssignals des Current-Mode-Designs mit dem Ausgang des Fehlerverstärkers verglichen, um das erforderliche PWM-Signal zu erzeugen. Die Voltage-Mode-Steuerung ist zudem einfach verständlich. Ihre offene Regelschleife ist ein System zweiter Ordnung, in dem die Induktivität und der Ausgangskondensator die komplexen Pole bilden (Bild 7). Die normalisierte Phase Tv(s) in Bild 7b fällt sehr schnell um 180 über die 20 khz Resonanzfrequenz der komplexen Pole. Das System hängt von den Kompensationsbauteilen ab, um den Phasenrand zu verbessern und Stabilität zu erlangen. Anderenfalls steht ein Phasenrand von nur 10 mit der Übergangsfrequenz 50 khz zur Verfügung (Bild 7b). Ein großer Phasenrand (höher als 40 ) ist für die Schleifenstabilität unerlässlich. Wird das gleiche Voltage-Mode-Steuerungssystem in (a) verwendet und an die Strom-Regelschleife in Bild 6a angepasst, wird es zu einem Current-Mode-Steuerungssystem. Das Bode-Diagramm der offenen Regelschleife ist in Bild 7 als Tc(s) dargestellt. Das System ist im niedrigeren Frequenzbereich fast ein System erster Ordnung, sodass die Phase zwischen 20 und 500 khz erheblich verstärkt wird (Bild 7b). Selbst ohne Kompensationsbauteile ist es immer noch ein stabiles System. Wird eine einfache Kompensation des Typs II hinzugefügt, um die Niederfrequenzverstärkung zu verbessern und die Übergangsfrequenz auf etwa 50 khz zu erhöhen, kann der Phasenrand bei der Current-Mode-Steuerung immer noch 80 betragen, was für die Stabilität ausreichend ist. Bei der Current-Mode-Steuerung gestaltet sich die Kompensation also relativ einfach im Gegensatz zur Voltage-Mode-Steuerung. Aufgrund der großen Phasenverstärkung im offenen Regelkreis deckt sie verschiedene Ausgangskondensatoren ab. A. Vereinfachte Current-Mode-Steuerung mit dem ISL8203 B. A Voltage-Mode-Steuerung Bild 6: Current- und Voltage-Mode-Steuerung 5 Intersil

6 7A. (a) Leerlaufverstärkung im Voltage- und Current-Modus 7B. (b) Leerlaufphase im Voltage- und Current-Modus Bild 7: Leerlauf-Bode-Diagramm der Voltage- und Current-Mode-Steuerung Bei Power-Modulen ist die Kompensation fest innerhalb des Gehäuses integriert. Werden die Ausgangskondensatoren durch verschiedene Kundenanwendungen geändert, können sich die komplexen Pole bei der Voltage-Mode-Steuerung erheblich ändern. Die feste Kompensation könnte die erhebliche Ausgangskondensatoränderung nicht abdecken, da deren Leerlaufphase zu gering ist, sobald sie oberhalb der LC-Resonanzfrequenz liegt. Ändern sich die Lastbedingungen ist dann meist kein ausreichender Phasenrand vorhanden. Um dies zu verhindern, muss das Voltage-Mode-Modul die Schleifenbandbreite (Übergangsfrequenz) verringern. So wird sichergestellt, dass im Vergleich zur Current-Mode-Steuerung genügend Phasenrand für die Stabilität bei verschiedenen Lastbedingungen vorhanden ist. Der Nachteil bei einer geringeren Bandbreite ist das schlechtere Transientenverhalten. 6 Intersil

7 Um den erheblichen Unterschied beim Transientenverhalten aufzuzeigen, wählten wir ein 4A-Power-Modul eines Wettbewerbers, das mit Voltage-Mode-Steuerung betrieben wird und vergleichen es mit dem ISL8203M. Die Bode-Diagramme der beiden Module sind in Bild 8 dargestellt. Werden die gleichen Ausgangskondensatoren für den Test gewählt, mit beiden Phasenrändern bei ca. 60, ist die Schleifenbandbreite des ISL8203M bei einem 3A-Ausgang wesentlich höher als bei einem Voltage- Mode-Modul. Damit bietet der ISL8203M ein besseres Transientenverhalten (Bild 9). Unter den gleichen Testbedingungen weist der ISL8203M eine Spitze-Spitze-Abweichung von 240 mv und eine Erholzeit von nur 25 µs auf, während das Voltage-Mode-Modul hier eine Spitze-Spitze-Abweichung von 275 mv und eine längere Erholzeit von 70 µs aufweist. 8A. Ein 3A-Ausgang beim ISL8203M 8B. Voltage-Mode-Modul eines Wettbewerbers Bild 8: Bode-Diagramme der geschlossenen Regelschleife bei Current-Mode- und Voltage-Mode-Steuerung in Modul-Anwendungen (5Vin auf 1Vout/3A mit gleichem COUT=2x10µF-Keramik- + 47µF-Tantalkondensator) 9A. Ein 3A-Ausgang beim ISL8203M 9B. Voltage-Mode-Modul eines Wettbewerbers Bild 9: Ausgangslast-Transientenverhalten mit den gleichen Ausgangskondensatoren (5Vin auf 1Vout/0 bis 3A mit COUT= 2x10µF-Keramik- + 47µF-Tantalkondensatoren; Laststrom-Anstiegsrate 1A/µs) Parallelbetrieb sorgt für geringe Störspannung Der ISL8203M kann mit zwei 3A-Ausgängen oder einem 6A-Ausgang betrieben werden. Im 6A-Betrieb lassen sich beide 3A-Ausgänge parallel schalten (Bild 10). Mit einer Phasenverschachtelung von 180 zwischen beiden Ausgängen verringert sich die Eingangs- und Ausgangsstörspannung erheblich. Die im Parallelmodus 7 Intersil

8 erzeugte Ausgangsstörspannung beträgt nur 11 mv (Bild 11), während die Störspannung des konkurrierenden Einphasen-Moduls unter den gleichen Bedingungen bis zu 36 mv beträgt. Noch wichtiger ist, dass bei einer bestimmten Ausgangsstörspannung der ISL8203M weniger als die Hälfte der Ausgangskondensatoren als das Einphasen-Modul benötigt, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Bild 10: Der ISL8203M lässt sich schnell und einfach für den Parallelbetrieb programmieren 11A. ISL8203M-Ripple bei 4A; zwei parallele Ausgänge 11B. Ripple bei 4A Single-Output-Modul (Wettbewerb) Bild 11: Ausgangsstörspannung mit den gleichen Ausgangskondensatoren (5Vin auf 1Vout/4A mit COUT= 2x4,7µF-Keramik- + 68µF-POSCAP-Kondensastor; Laststrom-Anstiegsgeschwindigkeit 1A/µs) 8 Intersil

9 Fazit Der ISL8203M wird in einem kompakten Gehäuse ausgeliefert und erfüllt trotzdem die elektrischen und thermischen Anforderungen der Kunden. Die Standard-Evaluierung des Moduls erfordert keinen Kühlkörper und keine Luftzirkulation. Es liefert eine Gesamtleistung von 20 W an die Last; die Maximaltemperatur des Moduls erreicht dabei nur 66,8 C. Durch seine Current-Mode-Regelung erzielt der ISL8203M ein gutes Transientenverhalten mit hervorragender Spitze-zu-Spitze-Abweichung und einer Erholzeit, die weniger als ein Drittel eines anderen Power-Moduls entspricht. Der Parallelmodus des ISL8203M erlaubt 6 A Stromabgabe mit sehr geringer Störspannung und zwei um 180 verschachtelten Ausgängen. Diese Funktion sorgt auch für erhebliche Einsparungen bei den Bauteilkosten bei einer bestimmten Störspannungsgrenze. Mit dieser hohen Leistungsfähigkeit eignet sich der ISL8203M ideal für jede Low-Power-/Low-Voltage- Anwendung wie Test- und Messtechnik, Kommunikationsinfrastrukturen und industrielle Steuerungen, die allesamt eine hohe Leistungsdichte erfordern. Um die Anforderungen bei der Entwicklung von Stromversorgungs-Subsystemen für diese Anwendungen zu erfüllen, verwenden viele Entwickler nun Power-Module anstelle herkömmlicher diskreter Point-of-Load Designs vor allem wenn die Aspekte schnelle Markteinführung, Platzbeschränkung, Zuverlässigkeit und Design-Flexibilität erfüllt werden müssen. Weitere Informationen über Intersils Power-Modul ISL8203M unter # # # Über Intersil Intersil Corporation ist ein führender Anbieter hochleistungsfähiger Analog-, Mixed-Signal- und Power-Management-ICs für die Bereiche Industrie, Infrastruktur, Computing und Highend-Consumerelektronik. Weitere Informationen über Intersil unter: Intersil Americas LLC. Alle Rechte vorbehalten. Intersil (und das Logo) sind Marken der Intersil Corporation oder einer der Tochtergesellschaften. Alle anderen hier erwähnten Marken sind im Besitz der jeweiligen Eigentümer. 9 Intersil