Power Management. sonder heft. MOSFETs Planar, Trench, Superjunction, SiC, GaN... Passive Bauelemente Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände

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1 Powered by 06/2013 sonder heft Power Management MOSFETs Planar, Trench, Superjunction, SiC, GaN... Passive Bauelemente Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände für Netzgeräte Simulationstools Was bieten die Hersteller von Leistungshalbleitern ein Überblick Wandler Effizient, platzsparend, sicher

2 Vielen Dank für wundervolle Jahre Unsere Welt ändert sich im Nanosekundentakt. Neue Verbindungen entstehen. Alte Probleme werden gelöst. Und was gestern noch unmöglich erschien, ist heute schon in Reichweite. Sie schaffen jeden Tag phantastische Dinge durch Technik. Wir sind stolz darauf, unseren Teil dazu beizutragen Maxim Integrated Products, Inc. All rights reserved. Maxim Integrated and the Maxim Integrated logo are trademarks of Maxim Integrated Products, Inc., in the United States and other jurisdictions throughout the world.

3 Editorial Iris Stroh Markt&Technik Dieses war der zweite Streich Es ist gut zwei Jahre her, da initiierte Silica mit»core n More«ein Programm, um sich als Distributionsspezialist für Mikrocontroller im Markt zu positionieren. Vergleicht man den Umsatzanteil, den Silica damals und heute mit Mikrocontrollern erzielt, dann war die Aktion ein voller Erfolg. Jetzt folgt mit»power n More«die zweite Kampagne, und dieses Mal hat der Distributor den gesamten Power-Bereich im Visier. Der Zeitpunkt ist günstig, denn die Effizienz von Stromversorgungen hat aufgrund strengerer gesetzlicher Rahmenbedingungen, der zunehmenden Anzahl portabler Geräte und eines wachsenden Umweltbewusstseins heute eine viel stärkere Bedeutung. Von dieser Seite her betrachtet, dürfte die Nachfrage im Markt also groß sein, weshalb ein Erfolg mehr oder minder vorprogrammiert ist. Hinzu kommt, dass die Realisierung von effizienten Stromversorgungen bei weitem keine triviale Aufgabe darstellt, so dass ein guter Support im wahrsten Sinne des Wortes»Gold«wert sein dürfte. Allerdings ist das Thema»Power«deutlich vielschichtiger als das Thema»Mikrocontroller«: Konnte sich Silica bei den Mikrocontrollern, vereinfacht formuliert, auf die wichtigsten ARM-Architekturen und Tools stürzen und hier Know-how aufbauen, müssen die FAEs sich jetzt mit viel mehr Fragen wie DC/DC- oder AC/DC-Wandler, welche Topologie, mit oder ohne galvanische Trennung etc. herumplagen. Dessen war sich Silica durchaus bewusst. Nicht umsonst hat der Distributor viel Geld in die Hand genommen, um hier die notwendige Expertise aufzubauen. Wie viel Wissen erworben wurde, spiegeln die vielen Beiträge der Silica-Power-Experten in diesem Sonderheft wider. Die Investitionen werden sich für Silica in mehrfacher Hinsicht lohnen. Neben dem steigenden Bedarf an Stromversorgungseffizienz im Markt kommt ein weiterer Aspekt hinzu: Beim Thema Power hat der Kampf um jeden halben Cent noch nicht begonnen, weil es im Vergleich etwa zum Mikrocontroller-Markt deutlich weniger Konkurrenz gibt. Und viele Entwickler befassen sich nur ungern mit dem Thema Stromversorgung, so dass ein guter Support die Wertschätzung finden sollte, die ihm zukommt. Und weil das Thema Stromversorgung in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen wird, dürfte auch ein langfristiger Erfolg gesichert sein. Iris Stroh, Markt & Technik IStroh@markt-technik.de High Efficiency Power Management The most optimized power density Power Management is everywhere, and all is about efficiency optimization and cost of ownership. NXP Semiconductors offers a large portfolio of Turn Key or Discretes products enabling the greenest system solution from AC/AC and AC/DC to the most sophisticated high switching DC/DC conversion. 4Q and 3Q Hi-Com Triacs with high Tjmax and protection functions (BTx, BTAx, TOPTx) LDO (LD68x5, LD68x6, LD68x3) Standard integrated DC/DC converters (DC6Mx) GreenChip Power ICs (TEA1716, TEA172x, TEA173x, TEA1755, TEA1792) NextPower PowerMOS (PSMNx, BUKx) High power Schottky diodes and PFC diodes (NXPSx, BYCx, BYVx, BYRx, BYWx) And all other standard Discretes Optimize your power solutions with the best in class performances products, and boost your productivity with the high standard of NXP quality and supply chain. Green goes with efficiency 3

4 Inhalt Silica o6/2013 Interview Neue Markt-Offensive im Hause SILICA: Mit Power n More den Power-Markt aufrollen 6 MOSFETs Planar, Trench, Superjunction, SiC, GaN: Die eierlegende Wollmilchsau gibt es nicht... 8 Wie gut sind Angaben in Datenblättern? Der thermische Widerstand die Unbekannte 11 Der Verlustleistung auf den Pelz gerückt: Cool bleiben 14 Passive Bauelemente Avnet Abacus: Passive Bauteile für Netzgeräte 16 Entwicklungsumgebung Ein Überblick: Simulations-Tools der Hersteller 19 Die Silica Power-Labs 22 Power-Experten Mit Power n More reagiert SILICA auf die steigende Nachfrage nach professioneller Entwicklungsunterstützung bei Leistungselektronik und Stromversorgungsdesigns auf System- und Produktebene. Mit einem einzigartigen Trainingskonzept, einer engen Zusammenarbeit mit den führenden Power Herstellern und zusätzlichen Serviceleistungen, bietet SILICA einen revolutionären Ansatz für die technische Unterstützung Ihres Power Designs: Unterstützung durch 15 dedizierte Power FAEs mit mehr als 1700 Stunden Power Intensivtraining Ein führendes Power Produktportfolio Voll ausgestattete Power-Labs für Projektkonzeption und Simulation Ein Netzwerk von SILICA-zertifizierten, unabhängigen Consultants für die Konzeption von Power-Systemen Power n More das bedeutet für Sie: die beste Entwicklungsunterstützung die es je gab von der System-Spezifizierung über Beratung bei Topologien und Layout bis hin zur Produktauswahl. Power n More the Future of Power Design Support starts now. Analog Devices: Höhere Effizienz primär geregelter Schaltnetzteile 24 Diodes: LED-Treiber für High-Brightness-LEDs 25 Infineon Technologies: One Stop Shopping für kleine Elektrofahrzeuge 26 International Rectifier: Intelligente High-Side-Leistungsschalter 27 Maxim Integrated: Hocheffiziente synchrone Abwärtswandler 28 On Semiconductor: Mehr Möglichkeiten, kleinerer Platzbedarf 29 Microchip Technology: Das Design digitaler Kompensatoren 30 NXP: SMPS-ICs reduzieren die Standby- Leistung und erhöhen den Wirkungsgrad 32 Renesas Electronics: RJx60 Super Junction MOSFETs 34 STMicroelectronics: VIPER06 in einer nicht-isolierten AC/DC-Buck-Konfiguration 39 Texas Instruments: DC/DC-Wandler der Simple Switcher Familie 40 ROHM Semiconductor: SiC ermöglicht viel höhere Wirkungsgrade 41 PRODUCED BY WRITTEN AND DIRECTED BY

5 AC/DC-Wandler Diodes: Super Barrier Rectifieres verbessern die Zuverlässigkeit von AC/DC-Wandlern 43 NXP Semiconductors: Hocheffiziente Leistungs- und Beleuchtungs-ICs sowie zweiphasige PowerMOS 44 Infineon: Dioden der fünften Generation: 650V thinq! 45 Microchip: Höhere Effizienz für AC/DC-Wandler 46 Texas Instruments: Netzteil-Controller mit niedrigstem Standby-Strom 48 Renesas Electronics: Super-Junction-Power-MOSFETs der 600/650-V-Klasse 50 STMicroelectronics: Komplettes Produktspektrum für eine effiziente AC/DC-Wandlung 52 On Semiconductor: Schaltregler mit hohem Wirkungsgrad bei geringen Lasten 54 GLOBAL CHALLENGES. ONE EFFICIENT DESIGN. DC/DC-Wandler Analog Devices: Power-Management für die Stromversorgung von FPGAs 56 Maxim Integrated: Effizienter DC-DC-Wandler für die Erzeugung der APD-Vorspannung 58 Infineon: Synchroner DC/DC-Buck-Controller 60 NXP Semiconductors: Höchste Effizienz und Leistungsdichte für Gleichstrombereitstellung 62 Renesas Electronics: Schnelle POL-Wandler im kleinen Gehäuse 63 Microchip: Vereint das Beste zweier Welten 64 Analog Devices: isopower bietet Vorteile für isolierte DC/DC-Wandler 66 STMicroelectronics: Effiziente Produkte für alle Anforderungen im Power-Management 68 Texas Instruments: Kleinstes 2,5-A-Powermodul mit Überspannungsschutz bis 65 V 71 International Rectifier: DC-DC-Wandler für hochdichte Designs 72 ROHM Semiconductor: Hoher Wirkungsgrad bei kleinen Gehäuseabmessungen 73 Digital Power flexibel und effizient 75 Texas Instruments: Abwärtswandler erzielt höchste Effizienz bei niedrigen Ausgangsleistungen 77 Infineon: Stromsparende DC/DC-Wandler 78 Our energyefficient products and solutions help you meet global standards so a single efficient design helps you save energy around the world. Optimize your design with products, tools, and expertise from ON Semiconductor. Browse through hundreds of evaluation boards and thousands of documents, all developed to help you get your designs off the bench and into production faster, with improved efficiency. Energy-Efficient Innovations Editorial 3 Impressum 78 Inserentenverzeichnis 78 5

6 Silica Interview Neue Markt-Offensive im Hause SILICA Mit Power n More den Power-Markt aufrollen Silica startet seine zweite Offensive. Ging es bei Core n More um Mikrocontroller, zielt Silica mit Power n More auf den Power-Halbleitermarkt ab. sprach mit Karlheinz Weigl, Regional Vice President Sales Central Europe von Silica, darüber, wie sich das Unternehmen in diesem Markt positionieren will, was hinter Power n More steckt und welche Ziele verfolgt werden. 6 Karlheinz Weigl, Silica: Unser ganz klares Ziel ist es, dass Silica der technisch kompetenteste Power-Distributor in Europa wird. Unser Support wird sich nicht auf die Produktauswahl beschränken: Wir wollen bereits beim Layout des Designs mitarbeiten, denn heute werden die Power-Spezifikationen schon am Anfang eines Designs festgezurrt. Also müssen wir schon hier mitspielen können und den Kunden danach durch alle Phasen des Design-Zyklus begleiten. Sonderheft : Core n More wurde gestartet, weil Silica im Mikrocontroller-Markt nicht die Präsenz hatte, die der Distributor sich wünschte. Ist der Hintergrund bei Power n More derselbe? Karlheinz Weigl, Silica: In erster Linie starten wir Power n More, um die technische Unterstützung für Distributionskunden zu intensivieren. Natürlich haben wir auch bei Analogtechnik und Power noch Wachstumspotential unser Umsatzanteil bei Power liegt derzeit bei ca. 10 Prozent, ähnlich wie vor drei Jahren die Controller. Einen Großteil unserer Umsätze erzielen wir mit Xilinx und deren programmierbarer Logik, Mikrocontrollern sowie Speichern und Commodity-Produkten. Für Core n More hielten Sie den Zeitpunkt für günstig, weil der MCU-Markt sich immer mehr auf die ARM-Architektur konzentrierte, viele Entwickler einen Umstieg in Erwägung zogen und damit der Einstieg als relativ unbekannter Distributor einfacher erschien? Was war der Auslöser für Power n More? Da gab es mehrere Gründe. Core n More haben wir vor etwas mehr als zwei Jahren ins Leben gerufen, und wir sind auf dem besten Weg, unser Ziel von 15 Prozent Marktanteil in den meisten Regionen zu übertreffen. Bei den 32-Bit-Controllern haben wir bereits heute, knapp ein Jahr vor Ablauf des 3-Jahres-Plans, die 15 Prozent Marktanteil über Europa hinweg erreicht, die Initiative war also ein durchschlagender Erfolg. Silica ist heute ein kompetenter MCU-Distributor im Markt, und auch innerhalb des Unternehmens hat der Controller-Bereich die richtige Aufmerksamkeit. Die- ses Momentum wollen wir aufrechterhalten und uns mit Power n More gleichzeitig in einem ähnlich wichtigen Markt etablieren. Mit den steigenden Energiekosten wird die Energieeffizienz immer wichtiger, das ist hinlänglich bekannt. Entwickler sind immer öfter gezwungen, ihre bewährten Power-Designs zu aktualisieren bzw. komplett neu zu entwickeln. Das ganze Thema»Leistungsaufnahme«steht heute viel stärker im Vordergrund, ist aufgrund der Komplexität für viele unserer Kunden aber ein Knackpunkt. Den Markt haben aber auch schon andere Distributoren für sich entdeckt. Wie positionieren Sie Silica im Markt? Unser wichtigstes Alleinstellungsmerkmal ist unsere Expertise. Das würden konkurrierende Unternehmen sicher auch von sich behaupten... Ja, mag sein, aber es gibt keinen Distributor, der so viel Geld und Zeit in den Aufbau von Power-Expertise gesteckt hat wie Silica. Wir können guten Gewissens behaupten, dass wir der Distributor mit der höchsten Kompetenz in diesem Umfeld sind. Mit Power n More haben wir ein Team von 15 dedizierten Power- Applikationsingenieuren aufgebaut und sie über die letzten sechs Monate zu echten Experten entwickelt. Unsere Spezialisten haben insgesamt mehr als 1700 Stunden technisch tiefgreifende Schulungen erhalten, in denen theoretisches Wissen beispielsweise zu den unterschiedlichen Topologien und Architekturen vermittelt wurde. Das eigentliche Produkt- Training ist hier noch gar nicht mitgezählt. Darüber hinaus haben wir auch alle anderen Power Management Powered by

7 Analog- und Digital-FAEs sowie alle Vertriebsmitarbeiter im Thema Power geschult insgesamt sprechen wir hier von 3000 Trainingsstunden in nur einem halben Jahr. Das klingt ja fast so, als ob Silica in Zukunft auch im Design-in für Power tätig werden möchte? Nein, aber wir wollen zu jedem Zeitpunkt des Entwicklungsprozesses ein kompetenter Ansprechpartner sein. Diese Expertise ist absolut einzigartig am Markt, denn damit sind wir in der Lage, den Kunden von der Systemspezifizierung bis zur Projektfertigstellung beratend zur Seite zu stehen. Und das können andere nicht? Natürlich haben auch unsere Mitbewerber Kompetenz im Power-Umfeld, das wollen wir niemandem absprechen, aber wie wir immer wieder von Kunden- und vor allem Herstellerseite bestätigt bekommen, hat die Distribution bis dato zu wenig in dediziertes Expertenwissen investiert. Das ist sicherlich auch der Grund, warum uns alle Halbleiterhersteller ihren hundertprozentigen Support zugesichert haben. Erschwerend kommt natürlich hinzu, dass Analog- oder Power-Experten im Markt schwer zu finden sind. Unsere Hersteller müssen also viel mehr Support leisten und sind deshalb froh, dass wir jetzt hier noch zusätzliche Expertise aufbauen. Wenn man sich die Line-Card von Silica ansieht, sind da ja viele wichtige Player aus dem Power-Bereich zu finden... Das ist sicherlich ein weiteres Unterscheidungskriterium für Silica: Von den Top-Playern im Markt haben wir bis auf wenige Ausnahmen alle im Portfolio. Normalerweise wird so ein Wachstumsplan auf Basis eines Halbleiterherstellers gestartet mit unserer Line- Card können wir aber alle Produktbereiche abdecken und damit eine ganze Plattform schaffen. Passive Komponenten decken wir über unsere Schwesterfirma Avnet Abacus ab. Trotz Ihrer umfangreichen Line-Card gibt es aber doch noch Lücken. Ja, denn bislang fehlen uns IGBT-Module im Produktspektrum. Wir haben zwar Infineon auf der Line-Card, aber ohne deren Power- Module. Diese Lücke werden wir schnellstmöglich schließen. Wir führen schon Gespräche mit einigen Herstellern, und ich denke, dass wir innerhalb der nächsten sechs bis neun Monate entsprechende Verträge schließen werden, sodass wir spätestens Anfang 2014 auch Power-Module anbieten können. Wie wichtig ist die Erweiterung der Line- Card um Hersteller für Power-Module? Ich glaube, dass hier das größte Wachstum zu erwarten ist. Das belegen auch Marktanalysen. So soll der gesamte Power-Markt in den nächsten Jahren um 4 bis 5 Prozent pro Jahr zulegen, der Umsatz mit Power-Modulen hingegen um 8 bis 9 Prozent pro Jahr. Was verbirgt sich sonst noch hinter Power n More? Einerseits die bereits erwähnten Power-Ressourcen, die über die ganze EMEA-Region verteilt sind. Hinzu kommen 25 Analog-FAEs, die zwar nicht über ein Detailwissen wie un- sere Power-Experten verfügen, aber doch genug Know-how besitzen, um unsere Kunden zu unterstützen. Darüber hinaus gibt es in Deutschland, Italien, Frankreich, UK, Dänemark, Schweden, Norwegen und Finnland jeweils einen Business Development Manager, der ausschließlich für Power zuständig ist. In fünf Ländern bauen wir außerdem vollständig ausgestattete Power Labs auf, die spätestens Ende des Jahres die Arbeit aufnehmen werden für Deutschland planen wir das Power Lab in Poing/München. Zusätzlich dazu installieren wir ein Netzwerk von zwei bis drei externen Spezialisten, die als qualifizierte Design- Häuser unsere Kunden beim Design unterstützen. Und zu guter Letzt haben wir noch weitere Support-Maßnahmen entwickelt, wie eine dedizierte Power Microsite ( com/power) oder unterstützende Literatur. Das klingt deutlich aufwendiger, als es bei Core n More der Fall war, warum? Bei Power n More ist das Produktspektrum weit größer als bei Core n More. Das macht einen sehr strukturierten Ansatz notwendig, um hier die gewünschten Ziele zu erreichen. Hinzu kommt, dass die Komplexität des Themas sehr hoch ist, und um hier die entsprechende Expertise aufzubauen, sind die Investitionen in Trainings natürlich auch höher. Und welche Umsatzziele setzen Sie sich bei diesen Investitionen? Wir wollen den Umsatz in diesem Segment nahezu verdoppeln. Hierzu soll auch die Erweiterung der Line-Card ihren Teil beitragen. Das Interview führte Iris Stroh 7

8 Silica MOSFETs Planar, Trench, Superjunction, SiC, GaN Die eierlegende Wollmilchsau gibt es nicht auch nicht in der Leistungselektronik. So hat jede Technologie und jedes Material spezielle Vor- und Nachteile. Dementsprechend nutzen die Hersteller meist mehrere Ansätze, um möglichst viele Applikationen mit unterschiedlichsten Anforderungen adressieren zu können. SiC-MOSFETs von Rohm Quelle: Rohm Semiconductor Silizium-MOSFETs mit Trench-, planarer oder Superjunction-Struktur oder lieber MOSFETs auf Basis der WBD- Materialien (Wide Band Gap) GaN oder SiC? Die Entscheidung hängt von der Anwendung und dem dazugehörigen Leistungsprofil ab. Die Planar-Technik ist die älteste Technologie, die zur Fertigung von Leistungs-MOSFETs herangezogen wird. Planar-MOSFETs sind in der Herstellung kostengünstiger, lassen sich einfacher eindesignen und zeigen eine höhere UIS-Robustheit (Unclamped Inductive Switching). Vorteilhaft beim Planar-MOSFET sind vor allem die weite SOA (SOA: Safe Operating Area), eine hohe Bauteilrobustheit und die hohe Avalanche-Energie-Aufnahmefähigkeit. So erklärt beispielsweise Stéphane Ernoux, Director, Product Marketing, Power Management Devices Business Unit, International Rectifier, dass»die Planar-MOSFETs sich durch robuste Avalanche-Fähigkeiten auszeichnen und sich für die Nutzung im Linearbetrieb eignen«. Stephen Ahrens, Marketing Manager MOSFET bei ON Semiconductor, merkt an:»anwendungen, die einen FET-Betrieb in der Sättigung benötigen, zum Beispiel bei einer aktiven Klemmung induktiver Lasten oder bei einer linearen Regelung von Lasten, werden von der Planar-Technik dominiert. Denn obwohl beide Technologien in einem Bereich der thermischen Instabilität im Sättigungsbetrieb arbeiten können, wird die Trench-Technologie im Vergleich zur planaren Technologie viel eher in den Bereich thermischer Instabilität kommen, allein aufgrund der höheren Verstärkung des Trench-Prozesses.«Im Vergleich zu Trench-MOSFETs weisen die Planar-MOSFETs aber einen höheren spezifischen Widerstand RDS (Ω mm 2 ) auf, so dass große Chips notwendig sind, um den Einschaltwiderstand (RDS on ) niedrig zu halten, was wiederum wichtig ist, um geringe Leitungsverluste zu erreichen. Mit der Größe des Dies verbessert sich auch die Wärmeleitung, allerdings fallen die Kapazitäten, die beim Ein- und Ausschalten des Transistors geladen oder entladen werden müssen, ebenfalls größer aus, was sich in höheren Schaltverlusten widerspiegelt. Die Trench-MOSFETs zeichnen sich im Vergleich zu den Planar-Varianten durch deutlich niedrigere Leitungswiderstände und geringere Gate-Ladungen aus. Laut Ahrens kann der spezifische Widerstand in der Trench-Technologie um mehr als 50 Prozent unter dem der Planar-Technologie liegen,»was zu einer kleineren Chipgröße und einer damit verbundenen Kostenreduzierung führt. Hinzu kommt, dass die kleineren Chipgrößen die Verwendung von kleineren Gehäusen zulässt, was bei der ständig steigenden Leistungsdichte von elektronischen Geräten und Systemen von Vorteil ist.«richard Kuncic, Leiter des Produktbereichs Low Voltage Power Conversion bei Infineon Technologies, erklärt weiter, dass die Technik darüber hinaus sehr schnelle Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht und sich auch»durch eine hohe Zuverlässigkeit und hohe Stromdichten auszeichnet«. Und Chris Hammerton, Concept Engineering, PL Automotive MOS, NXP Semiconductors, merkt an, 8

9 Bei NXP basiert der Großteil der Automotive-MOSFETs auf einer Trench-Architektur Quelle: NXP Semiconductors Im Gegensatz zum klassischen Silizium haben Materialien wie GaN und SiC größere Bandlücken (Si: 1,12 ev, SiC: 2,2 bis 3,3 ev, GaN: 3,4 ev), so dass sie für große Temperaturen und Feldstärken geeignet sind. Auch hier werden von den Herstellern Vorteile wie sehr kurze Schaltzeiten und nochmals reduzierte Durchlassverluste genannt. So erklärt beispielsweise Jan-Willem Reynaerts, Leiter des Produktbereichs High Voltage Power Conversion bei Infineon Technologies, dass sich Infineons SiC-JFETs»durch sehr niedrige temperaturunabhängige Schaltverluste auszeichnen und sich somit gut für höhere Schaltfrequenzen, höhere Leistungsdichten und höhere Temperaturen eignen«. Hammerton hält allerdings entgegen:»sic und GaN sind dank ihrer außergewöhnlich guten elektrischen Performance beispielsweise besonders gut für HV- Systeme in Elektroautos geeignet. Aber um hier Fuß zu fassen, müssen noch Herausforderungen wie sehr hohe Kosten und die relative Unreife dieser Materialien im Vergleich zu Silizium überwunden werden. Es wird also wahrscheinlich noch ein paar Jahre dauern, bis sich damit das Qualitätsniveau erreichen lässt, das Silizium heute bietet. Aus diesen Gründen ist es sehr unwahrscheinlich, dass SiC oder GaN in LV-Automotive-Systemen zur Mainstream-Technologie werden.«lv-mosfets (bis 500 V) dass sich Trench-MOSFETs gut ansteuern lassen,»wodurch sichergestellt ist, dass die Bausteine bei maximaler Sperrschichttemperatur Tj sauber abschalten ein Punkt, der bei den hohen Betriebstemperaturen in Automotive- Anwendungen einen entscheidenden Vorteil darstellt«. Hammerton erklärt aber auch, dass sich die Trench-MOSFETs mittlerweile dank Weiterentwicklungen der Technologie dadurch auszeichnen, dass sie für Einzel- und periodische Impulse eine sehr gute und garantierte Avalanche-Festigkeit aufweisen, was für eine hohe Robustheit des Halbleiters gegen kurzzeitige externe Überspannungen spricht. Nachteilig ist festzuhalten, dass die Fertigung dieser MOSFETs im Vergleich zu den Planar-Varianten deutlich aufwendiger ist und damit auch teurer. Die Superjunction-Technologie wurde für MOSFETs mit einer Sperrspannung ab 200 V und niedrigstem RDS on entwickelt. Salvatore La Mantia, Technical Marketing Senior Engineer bei STMicroelectronics:»Auch wenn Planar-MOSFETs im HV-Bereich immer noch auf einen höheren Marktanteil als die Superjunction-Varianten kommen, zeigen letztere viel höhere Wachstumsraten pro Jahr. Wir sprechen hier von 20 Prozent, so dass davon ausgegangen wird, dass diese Technologie in zwei bis drei Jahren den größten Marktanteil einnehmen wird.«die Technologie zeichnet sich im Vergleich zur Planar-Technologie durch einen deutlich verringerten spezifischen Widerstand aus, so dass»entweder höhere Leistungsdichten möglich sind oder Bausteine mit einem deutlich niedrigeren RDS on bei gleicher Die-Größe«so La Mantia weiter. Darüber hinaus lassen sich mit dieser Technologie höchste Schaltgeschwindigkeiten erreichen, da die Gate-Ladungen und Kapazitäten geringer ausfallen. Jason McDonald, Application Engineer MOSFET bei ON Semiconductor:»Superjunction-MOSFETs werden angewandt, wo Leistungsdichte und Platzersparnis es erfordern. Das gilt beispielsweise in Serverstromversorgungen, kleinen Hochleistungsadaptern, flachen LCD-TV-Netzteilen und in Anwendungen für erneuerbare Energie. Dies sind Anwendungen, bei denen der Endkunde für eine höhere Effizienz oder Leistungsdichte auch bereit ist, mehr zu bezahlen.«damit wird auch gleich ein Nachteil der Superjunction- Technologie deutlich: die höheren Produktionskosten. Doch McDonald ist überzeugt, dass die Preise von Superjunction-MOSFETs mit der Zeit dank steigendem Volumen fallen werden. In diesem Bereich kommen mehrere Technologien zum Einsatz. Die am häufigsten genutzten MOSFETs werden mithilfe von Planarund Trench-Technologien gefertigt, mittlerweile sind aber auch Superjunction-MOSFETs und GaN-MOSFETs zu finden. Infineon nutzt für seine LV-MOSFETs ausschließlich die Trench-Technik. Laut Kuncic eignen sich diese MOSFETs besonders gut für den Einsatz in VR-Modulen für Server, synchrone Gleichrichter für AC/DC-Schaltnetzteile, DC/DC-Wandler, Motorsteuerungen bis 110 V, Solar-Microinverter und MPPT (Maximum Power Point Tracker), LED-Beleuchtung, Notebook und PCs. International Rectifier (IR) setzt auf Planarund Trench-Technik und zusätzlich noch auf seine proprietäre GaNpowIR-Plattform. GaNpowIR basiert auf einem kostengünstigen GaN-auf-Silizium-Substrat, das mithilfe von Heteroepitaxie auf Basis von Standard-CMOS- Wafer-Verarbeitungsverfahren prozessiert wird. Damit ist es IR laut Ernoux gelungen, eine GaNpowIR-Plattform bereitzustellen, die sich durch ein sehr gutes Preis-Leistungs- Verhältnis auszeichnet und»vom Markt in voller Breite angenommen wird«, so Ernoux weiter. ON Semiconductor wiederum nutzt für seine LV-MOSFETs die Planar- und Trench-Technik. Bei NXP basiert der Großteil der Automotive- MOSFETs auf einer Trench-Architektur. Neben den bereits erwähnten Vorteilen weist Hammerton noch auf einen anderen hin:»die Trench-Technik lässt ein SOA-Rating von DC bis unter 10 µs zu, und es können qualitativ sehr hochwertige Produkte gefertigt werden, so dass Ziele von weniger als 1 ppm möglich sind.«hinzu käme noch, dass all diese Eigenschaften in einem Spannungsbereich von 30 bis 100 V (als Standard- und Logik-Level- MOSFETs) auf einer gemeinsamen Plattform zur Verfügung stehen.»damit können die Entwickler sich innerhalb des Spannungsbereichs vollkommen frei bewegen, ohne befürchten 9

10 Silica MOSFETs zu müssen, dass in der Baustein-Charakteristik eigenartige Änderungen auftreten«, erklärt Hammerton weiter. Renesas Electronics nutzt eine Trench-Technologie auf Siliziumbasis, kombiniert mit einem Low-Voltage-SuperJunction-Prozess. Laut Dr. Robert Podgorsek, Analog & Power Marketing Engineer in der Automotive Business Group von Renesas Electronics Europe, optimiert Renesas seine PowerMOSFET-Technologie sowohl in Hinblick auf Durchlasswiderstand (RDS on ) als auch auf Gate-Ladung (Q G ),»um möglichst hohe Stromtragfähigkeiten und geringste Leitungs- und Schaltverluste realisieren zu können«, so Podgorsek. Dank der optimierten Trench-Strukturen konnte Renesas die Figure of Merit (FOM: das Produkt aus Kanalwiderstand und Gate-Ladung) mit jeder Prozessgeneration verringern. Podgorsek weiter:»diese Produkte wandern in Hochstrom-Schaltanwendungen hauptsächlich zur Steuerung von Elektromotoren im Automobil. Hierbei handelt es sich größtenteils um Brückenschaltungen, z.b. um H-Brücken beim DC-Motor oder um B6-Brücken im Falle eines BLDC-Motors. Die eingesetzten Power- MOSFETs mit Durchbruchsspannungen von 30 bis 100 V zeichnen sich durch extrem kleine Werte für RDS on von wenigen mohm aus und sind für Ströme bis zu 180 A DC spezifiziert.«rohm nutzt für die Leistungs-MOSFETs im Bereich von 20 bis 200 V die Trench-Technologie, die sich laut Masaharu Nakanishi, Product Manager SiC, HV-MOSFET von Rohm Semiconductor, durch einen flächenskalierten Einschaltwiderstand von 0,085 mω. cm 2 auszeichnen. STMicroelectronics zählt zu den Unternehmen, die ebenfalls zweigleisig fahren und sowohl Trench- als auch Planar-MOSFETs anbieten. Das gilt zumindest für den Spannungsbereich zwischen 20 und 100 V, zwischen 120 und 200 V stehen ausschließlich Trench- MOSFETs zur Verfügung. Texas Instruments hat mit NexFET eine Technologie entwickelt, bei der ein vertikaler Stromfluss mit einem lateralen Leistungs-MOSFET kombiniert wurde. Laut Miro Adzan, EMEA Marketing Manager, Power Solutions, Texas Instruments, ermöglicht dieser Ansatz deutliche Fortschritte beim Schalten, denn die Bausteine zeichnen sich durch einen niedrigen Einschaltwiderstand und sehr niedrige Schaltverluste aus. Damit erreichen die Bausteine auch sehr gute FOM-Werte. Darüberhinaus bietet TI aber auch Trench- und Planar-MOSFETs, wobei Adzan betont, dass die Architektur nur zum Teil die Leistungsfähigkeit des MOSFETs bestimmt.»das Gehäuse hat ebenfalls einen wichtigen Einfluss, aufgrund der unterschiedlichen Gehäusewiderstände etc.«hv-mosfets Für das High-Voltage-Segment bietet Infineon laut Jan-Willem Reynaerts, Leiter des Produktbereichs High Voltage Power Conversion bei Infineon Technologies, Superjunction MOSFETs und SiC JFETs an.»unsere Superjunction-Bausteine mit niedrigstem R DSon und höchsten Schaltgeschwindigkeiten ermöglichen geringste Verluste und beste Effizienzen«, so Reynaerts. Auch die SiC JFETs zeichnen sich durch niedrige und temperaturunabhängige Schaltverluste aus. Damit eignen sie sich für höhere Schaltfrequenzen, höhere Leistungsdichten und höhere Temperaturen. ON Semiconductor nutzt für hohe Sperrspannungen sowohl die Planar-, Trench- als auch Superjunction-Technologie. Laut McDonald arbeitet das Unternehmen aber auch an einer GaN-Technologie. Ein großer Vorteile der Superjunction-Technik ist, dass diese MOS- FETs auf etwa 25 Prozent der Fläche von traditionellen planaren Hochspannungs-MOS- FETs reduziert werden können«, und das ist noch nicht das Ende der Fahnenstange. Damit ist die Energie in den Eingangs- und Ausgangskapazitäten, die während jedes Schaltzyklus gespeichert wird, stark reduziert,»wodurch sich schnellere Schaltzeiten und eine höhere Effizienz bei hart schaltenden Anwendungen ergeben«, so McDonald. Mit der Entwicklung von GaN-MOSFETs lassen sich die Durchlasswiderstände und Kapazitäten noch weiter verringern, so dass»noch höhere Leistungsdichten und/oder höhere Schaltfrequenzen möglich sind. Das wiederum führt zu kleineren Schaltkreisen, da kleinere Gehäuse und kleinere passive Komponenten verwendet werden können«, so McDonald weiter. Rohm deckt den Bereich ab 600 V bis 800 V mit der Superjunction-Technologie ab. Geht es um 1200 V und höher, setzt Rohm auf SiC auf Planarbasis. Laut Nakanishi zeichnen sich auch die HV-Produkte durch einen niedrigen R DSon und hohe Schaltgeschwindigkeiten aus (Minimalwerte: 600 V: A ron = 20mΩ. cm 2, SiC (1200 V): A ron = 2,0 mω. cm 2 ). STMicroelectronics nutzt für seine HV-MOS- FETs mit Produkten bis zu 1700 V sowohl die Planar- als auch Superjunction-Architektur. Laut La Mantia steht das Unternehmen außerdem kurz davor, die erste Generation von SiC-MOSFETs auf Planar-Technik mit 1200 V auf den Markt zu bringen. Die Superjunction- Architektur wird zur Produktion von MOSFETs mit Durchbruchspannungen von 200 bis 950 V BVDSS genutzt. Die bereits erwähnten Vorteile kommen der Endanwendung zugute. So ist es beispielsweise möglich, die Anzahl der Komponenten zu senken. Denn dort, wo früher viele Planar-MOSFETs parallel geschaltet wurden, können heute weniger schnelle Superjunction-Bausteine genutzt werden, wodurch ein kompakteres System möglich wird.»superjunction-mosfets mit deutlich niedrigerem RDS on können Planar-MOSFETs ersetzen, so dass effizientere Anwendungen mit höheren Stromdichten realisiert werden können«, so La Mantia. STMicroelectronics fertigt mehrere Superjunction-Familien von 200 bis 950 V BVDSS, 10

11 um verschiedene Applikationen und Topologien adressieren zu können: Die 550V/650V-MDmesh-V-Familie zeichnet sich laut La Mantia durch den geringsten RDS on pro Flächeneinheit aus. Damit zielt das Unternehmen hauptsächlich auf hart schaltende Anwendungen, typischerweise eine Leistungskorrekturstufe, wie sie in Server oder Telecom-Schaltreglern sitzen, aber auch in Beleuchtungsanwendungen wie mittlere und High-Power-LED-Treiber und HID oder sogar als Verstärkerstufe in PV-Invertern. Ein neuer Sektor für diese Bausteine entsteht in Elektrofahrzeugen, wofür dedizierte Automotivequalifizierte MDmesh-V-Bausteine zur Verfügung stehen. 600 V MDmesh II Plus Low Qg ist eine Familie, die kürzlich auf den Markt gebracht wurde: Dank eines reduzierten RDS on bei gegebener Fläche und optimierten Gate-Ladungen und -Kapazitäten zielen diese Baustein speziell auf sanft schaltende LLC-Topologien, LCD/LED-Fernseher, Server und Telecom- Schaltregler, LED-Treiber mittlerer und hoher Leistung. Andere Anwendungen sind Micro- Inverter für die PV und Batterieladegeräte. 500V- bis 650V-FDmesh-II-Serien, die in Hinblick auf Reverse-Recovery-Prozesse optimiert wurde und sich durch eine verringerte tff (Reverse Recovery Time), einen verringerten Irrm (Reverse Recovery Current) und reduzierte Qrr (Reverse Recovery Charge) der Reverse-Diode auszeichnet. Diese Bausteine eignen sich besonders für phasenverschobene ZVS-Brücken, die oft für hochleistungsfähige Schaltnetzteile in Servern genutzt werden. Außerdem finden sie auch in DC/DC-Wandlern für PV-Inverter aber auch in Halbbrücken für Beleuchtungsanwendungen Einsatz. 800V- bis 950V-SuperMESH-5-Serien: Mit diesen neuen Bausteinen können einfache Fly-Back- oder Eintaktdurchflusswandler- Topologien genutzt und trotzdem hohe Effizienzziele erreicht werden. Zielanwendungen sind LED-Treiber mittlerer Leistung, Adapter für PCs und Notebooks oder LDC/LED-TV- Schaltnetzteile. Planar-MOSFETS produziert STMicroelectronics von 200 bis 1700 V BVDSS. Die Leistungshalbleiter werden in Low-Power- und/ oder kostengünstigen Anwendungen eingesetzt, in denen Effizienz nicht die höchste Priorität hat. Typische Anwendungen sind Dimmer, Low-Power-LED-Treiber, Adapter, Low-Power-Schaltnetzteile und Batterieladegeräte für mobile Geräte. Ist eine Mindestspannung von 1000 V BVDDS gefordert,»dann sind Planar-MOSFETs die einzige Option«, so La Mantia. (st) Wie gut sind die Angaben in den Datenblättern? Der thermische Widerstand die Unbekannte Immer wieder ist zu hören, dass die Hersteller den thermischen Widerstand ihrer MOSFETs so spezifizieren, dass der Entwickler mehr verwirrt als informiert ist. Was sind die Ursachen solcher Probleme?»Der thermische Widerstand eines Leistungshalbleiters ist ein Parameter, der recht schwierig zu bestimmen ist. Manche Hersteller geben hier typische und maximale Werte an, andere wie Infineon nur Maximalwerte. Darin enthalten sind, wegen der messtechnischen Probleme, herstellerabhängige Sicherheitsmargen und Abweichungen durch Rundungen«, erklärt Richard Kuncic, Leiter des Produktbereichs Low Voltage Power Conversion bei Infineon Technologies. Wurde ein solcher Parameter nur rechnerisch ermittelt, so ergibt sich laut seiner Aussage meist ein deutlich freundlicheres Ergebnis gegenüber einem gemessenen Wert, der mit Sicherheitsaufschlägen bedacht ist. Stephen Ahrens, Marketing Manager MOSFET bei ON Semiconductor, fügt hinzu, dass die Schwierigkeit beim Vergleich von Wärmewiderstandsdaten zwischen Wettbewerbern auch auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass diese Werte von Randbedingungen abhängen. Das heißt, dass beispielsweise zwei Datenblätter für verschiedene Bauteile durchaus identische oder ähnliche RthJ/A-Werte (Wärmewiderstand: Chipanschluss zur Umgebung, Junction/Ambient) enthalten können. Ahrens weiter:»damit die Werte wirklich identisch sind, müssen allerdings auch die Randbedingungen absolut identisch sein. Zum Beispiel erhält man für dasselbe Bauteil deutlich unterschiedliche R thj/a -Werte, je nachdem ob es auf einem 650 mm 2 großen 2 oz. Cu-Pad oder auf einem 50 mm 2 großen 2 oz Cu-Pad montiert ist.«und Jason McDonald, Application Engineer MOSFET bei ON Semiconductor, gibt noch den Rat:»Es ist richtig, dass die Informationen unterschiedlich und auch irreführend sein können. Der Drain-Strom ist ein Beispiel dafür. Parameter wie der thermische Wärmewiderstand und der Drain-Strom sollten also nicht zu wörtlich genommen werden. Die Kunden sollten sie nicht als harte Grenze ansehen, da die Einsatzbedingungen nicht denen entsprechen, unter welchen die Werte für das Datenblatt ermittelt wurden.«daraus folgt: Der Entwickler sollte die Angaben in den Datenblättern genau studieren, einschließlich der kleingedruckten Infos, in denen die Hersteller 11

12 Silica MOSFETs wichtige Zusatzinformationen geben. Was geben die Hersteller also typischerweise an, um den Entwickler bei der Beurteilung des thermischen Verhaltens zu unterstützen? Infineon Technologies Um dem Entwickler ein möglichst vollständiges Bild zu verschaffen, stellt Infineon neben dem Maximalwert (entspricht der Summe aller thermischen Widerstände) im LV- Datenblatt das gesamte thermische Ersatzschaltbild (also auch die einzelnen thermischen Kapazitäten) seiner PSPICE-Bibliotheken zur Verfügung.»Dies erlaubt dann nicht nur eine Berechnung/Simulation der typischen oder maximalen Werte. Vielmehr kann mit einem Simulationsprogramm auch das zeitliche Verhalten, also der Erwärmungsvorgang selbst, dargestellt werden«, erklärt Richard Kuncic. International Rectifier Das Unternehmen stellt auf seiner Web-Site ( an-994.pdf) eine Application Note (AN-994) zur Verfügung, die die Messung des thermischen Widerstands für die SMD-Bausteine von International Rectifier beschreibt. Laut Stéphane Ernoux, Director, Product Marketing, Power Management Devices Business Unit, International Rectifier, werden darin die Gehäusemontage und Ansätze zur Kühlung und Testen erklärt. Die AN-994 gilt allerdings nur für SMD-Gehäuse und nicht für Durchsteckvarianten wie TO-220, TO-247 oder Fullpak. NXP Semiconductor Chris Hammerton, Concept Engineering, PL Automotive MOS, NXP Semiconductors, ist der Meinung, dass die Datenblätter für den Entwickler eigentlich kein Problem darstellen, denn seiner Erfahrung nach stimmen die Angaben zum thermischen Widerstand der einzelnen Hersteller ziemlich gut überein, wobei er diese Aussage auf die wichtigsten Anbieter von Leistungs-MOSFETs beschränkt. Sobald der Entwickler Zugriff auf Rth (j-mb), manchmal auch R th (j-case) hat, stünden ihm schon mal alle Informationen zur Verfügung, um die Junction-Temperatur berechnen zu können und damit zu überprüfen, ob der Maximalwert überschritten wird. Darüber hinaus stellt NXP den Entwicklern auch eine Kurve für Z th (j-mb) zur Verfügung. Das Unternehmen gibt denn auch die Methoden vor, wie diese Kurve genutzt werden können.»diese Methoden beruhen zwar auf vielen Berechnungen, aber mit den vorhandenen Tabellen ist auch das kein Problem.«Designer, die es wiederum gewohnt sind, mit Simulationen zu arbeiten, können auf zwei Modelle pro MOSFET von NXP zurückgreifen. Hammerton abschließend:»mit R th und der thermischen Impedanz Zth gibt der Bausteinhersteller dem Anwender die Informationen, die er braucht, um alle notwendigen Berechnungen durchführen zu können.«on Semiconductor ON Semiconductor stellt im Datenblatt Werte für den Dauerbetrieb von Sperrschicht- und Gehäusetemperatur in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zur Verfügung. Sie basieren auf bestimmten Annahmen, die im Datenblatt ebenfalls vermerkt sind. Darüber hinaus stellt das Unternehmen den thermischen Widerstand über die Zeit für verschiedene Tastverhältnisse dar. Renesas Electronics Renesas Electronics spezifiziert die maximale Gesamtverlustleitung bei 25 C sowie den thermischen Widerstand R th (j-c) zwischen Kanal (junction) und der Außenschicht des Gehäuses (case). Ferner wird für den gepulsten Betrieb die dynamische thermische Impedanz Z th (j-c) als Funktion der Pulsweite PW angegeben. Dr. Robert Podgorsek, Analog & Power Marketing Engineer in der Automotive Business Group von Renesas Electronics Europe, fügt hinzu:»darüber hinaus stehen dem Entwickler Experten zur Verfügung, die im Rahmen einer applikationsspezifischen Robustheitsbewertung den Einsatz des Power- MOSFETs für ein gegebenes Lastprofil überprüfen.«rohm Semiconductor Die Angaben zum thermischen Widerstand entsprechen dem JEDEC-Standard,»um die Vergleichbarkeit zu Wettbewerbsprodukten zu gewährleisten«, so Masaharu Nakanishi, Product Manager SiC, HV-MOSFET von Rohm Semiconductor. STMicroelectronics STMicroelectronics stellt den thermischen Widerstand zwischen Kanal und Außenschicht des Gehäuses (case) in seinen Datenblättern zur Verfügung (R th (j-c)). Salvatore La Mantia, Technical Marketing Senior Engineer bei STMicroelectronics, kommentiert:»dabei handelt es sich um einen Standardparameter, den sowohl ST als auch seine wichtigen Konkurrenten wie Infineon oder Toshiba angeben. Dieser Wert wird unter ähnlichen Messkriterien ermittelt, so dass die Endanwender die Optionen der verschiedenen Hersteller meistens einfach vergleichen können. Andere MOSFET-Hersteller können andere Angaben machen, in dem Fall kann der Entwickler eine lokalen ST-Niederlassung für technischen Support kontaktieren.«texas Instruments Laut Miro Adzan, EMEA Marketing Manager, Power Solutions, Texas Instruments, folgt auch Texas Instruments dem Industriestandard für FET-Datenblätter und dem thermischen Widerstand. Darüber hinaus bietet das Unternehmen aber auch eine Reihe von Powerblock-Bausteinen, die dem Designer Alternativen bieten, Platinenfläche einzusparen und ein optimiertes Schaltverhalten bezüglich parisitärer Einflüsse zu nutzen, was unter anderem auch zu einer Verringerung der Verlustleistung führt. Zudem zeichnen sich die Powerblock-Bausteine durch einen großen auf Massepotenzial liegenden Leadframe (Chip-Träger) aus, so dass die Entwickler große Pads nutzen können, um die Wärme vom Baustein effektiv auf die Leiterplatte abzutransportieren. (st) 12

13 600V CoolMOS P6 Balancing High Performance with Ease of Use With the new P6 series Infineon introduces a highly innovative CoolMOS product family, setting benchmarks in the price/performance Superjunction segment. It is designed to enable higher system efficiency whilst being easy to design in. The P6 generation closes the gap between technologies which focus on delivering ultimate performance and those concentrating more on ease of use. Key features and benefits of 600V CoolMOS P6 Higher efficiency especially in light load condition Good controllability and high robustness Suitable for hard- & soft-switching topologies Outstanding quality & reliability Optimized for applications such as Server, Telecom, PC Silverbox and Gaming Consoles For further information please visit our website:

14 Silica MOSFETs Der Verlustleistung auf den Pelz gerückt Cool bleiben Die Miniaturisierung ist ein altbekannter Trend, dem sich auch die Hersteller von Leistungs- MOSFETs nicht entziehen können. Mit kleineren Fertigungsstrukturen steigt die Stromdichte, und die Die-Fläche wird kleiner, so dass mehr Hitze über weniger Fläche abgeführt werden muss ein nicht ganz triviales Problem. Das TO-Leadless-Gehäuse enthält die neueste OptiMOS-Generation Quelle: Infineon Technologies Durch höhere Temperaturen verschlechtern sich die Leistungsparameter der MOSFETs, beispielsweise steigt der Durchlasswiderstand (R DSon ) mit steigenden Temperaturen, was wiederum zu einer höheren Verlustleistung führt. Hinzu kommt, dass die Sperrschichttemperatur (T j ) einer der kritischsten Parameter von MOS- FETs ist, weil eine dauernde Überschreitung der maximal zulässigen T j zur Zerstörung des Bausteins führt. Folglich muss darauf geachtet werden, dass die Wärmeentwicklung in akzeptablen Grenzen bleibt, und dazu stehen den MOSFET- Herstellern prinzipiell zwei Möglichkeiten offen: Sie können einerseits die Verlustleistung verringern und andererseits die Kühlung beziehungsweise den Wärmeabfluss verbessern. Nachdem sich die Verlustleistung im eingeschalteten Zustand über die Formel PV = I². R berechnen lässt, wird klar, warum alle Hersteller seit langem an einer Verringerung des Durchlasswiderstands arbeiten. Ähnlich verhält es sich mit den Schaltverlusten. Sie multiplizieren sich mit der Schaltfrequenz und werden deshalb von den Leistungshalbleiterherstellern ebenfalls ständig verringert, um den Einstieg in höhere Frequenzen zu ermöglichen. Dementsprechend erklärt Jan- Willem Reynaerts Leiter Product Leiter des Produktbereichs High Voltage Power Conversion von Infineon Technologies, dass das Unternehmen speziell bei seinen HV-MOSFETs (HV: Hochvolt, ab 500 V) auf die Verringerung der anfallenden Verluste setzt und im Zuge dessen die Durchlasswiderstände verringert. Darüber hinaus»konnte Infineon auch bei neueren Technologien die Schaltverluste senken. So entsteht in Summe deutlich weniger Wärmeenergie«, fährt Reynaerts fort. Eine weitere Möglichkeit bringt Stéphane Ernoux, Director, Product Marketing, Power Management Devices Business Unit, International Rectifier (IR), ins Spiel:»Wir können beispielsweise den Die dünner machen, um den gestiegenen thermischen Widerstand zu kompensieren.«diesen Ansatz nutzt natürlich nicht nur IR: Auch Miro Adzan, EMEA Marketing Manager für Power Solutions von Texas Instruments, weist auf diese Möglichkeit hin, und Infineon ist gerade dabei, seine 300-mm-Dünnwafer- Technologie in Dresden zur Serienfertigung zu bringen. Dr. Robert Podgorsek, Analog & Power Marketing Engineer in der Automotive Business Group von Renesas Electronics Europe, macht darauf aufmerksam, dass dieser Ansatz allerdings»nicht ganz ohne«sei:»die Chip-Dicke zu reduzieren, bringt Schwierigkeiten für Handhabung und Herstellung der Wafer mit sich.«podgorsek hält es aber sowieso für insgesamt schwierig, als MOSFET-Hersteller das Problem der erhöhten Wärmeentwicklung positiv zu beeinflussen. Also müssen die entstehenden Verlustleistungen effektiv abgeführt werden,»um den Temperaturanstieg im Bauteil auf die maximal zulässige Kanaltemperatur T j = 175 C zu begrenzen, was die Forderung nach möglichst kleinen thermischen Widerständen des Gesamtsystems mit sich bringt«, so Podgorsek weiter. Denn das Gesamtsystem ist entscheidend, weil die statischen Verlustleistungen (länger als 1 ms) als Wärme vom Die über das Gehäuse auf die Leiterplatte oder den Kühlkörper wandern, so dass der thermische Gesamtwiderstand des Übertragungswegs maßgebend ist. Und dabei spielt die Miniaturisierung auf der Halbleiterseite keine große Rolle mehr. Zwar erhöht sich der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Montagefläche (Rth jmb) bei kleineren Die-Flächen,»aber in den meisten Fällen ist dieser Wert der kleinste Widerstand in der gesamten Kette, so dass er in der Gesamtbetrachtung keine große Rolle spielt«, erklärt Chris Hammerton, Concept Engineering, PL Automotive MOS von NXP Semiconductors. Ein Beispiel: NXP hat bei seinen Leistungs-MOSFETs im LFPAK56-Gehäuse die Die-Fläche um 50 Prozent reduziert,»wodurch sich der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Montagefläche sagen wir von 0,74 auf 1,58 K/W erhöht hat«, so Hammerton. Da sich das Design der Leiterplatte und die Umgebungsbedingungen nicht ändern, hat sich am thermische Widerstand von Leiterplatte zur Umgebung nichts geändert in diesem Fall nimmt Hammerton einen typischen Wert von 40 K/W an, und die Verlustleistung hat sich auch nicht geändert, so dass die Temperatur zwischen Leiterplatte und Montagefläche gleich bleibt. Einzig innerhalb des LFPAK56s ergeben sich Veränderungen aufgrund des erhöhten thermischen Widerstands durch den kleineren Die. Nimmt 14

15 man jetzt eine Verlustleistung von 1 W, eine Umgebungstemperatur von 40 C und eine Leiterplattentemperatur von 85 C an, dann liegt die Sperrschichttemperatur des größeren Dies bei 125,74 C, des deutlich kleineren Dies bei 126,58 C,»also immer noch gut innerhalb des Bereich des Baustein-Ratings von 175 C«, so Hammerton weiter. In der Packaging-Technik steckt viel Know-how Wichtig ist, dass die Wärme gut abgeführt werden kann. Deshalb ist beispielsweise das LFPAK56-Gehäuse von NXP mit einem integrierten Kupfer-Clip ausgestattet, um den thermischen Widerstand zu verringern. Aber auch in diesem Fall nutzt nicht nur NXP diesen Ansatz, sondern auch Adzan erklärt, dass sich die thermische Anbindung an den Die durch Kupfer-Clips anstatt Bonddrähte verbessern lässt. Ebenfalls von Vorteil ist eine beidseitige Wärmeableitung, die TI beispielsweise in seiner DualCool-NexFET-Power-MOSFET-Technologie nutzt. Laut Unternehmensangabe lässt sich damit im Vergleich zu Standardgehäusen der Wärmeabtransport um bis zu 80 Prozent und die Stromdichte um bis zu 50 Prozent erhöhen. Genau den gleichen Ansatz hat International Rectifier vor Jahren mit DirectFET realisiert. Auch hierbei handelt es sich um ein High-Performance-Gehäuse mit beidseitiger Kühlung, das laut Ernoux ebenfalls eine außergewöhnlich hohe Stromdichte ermöglicht und einen sehr niedrigen On-Widerstand bietet. Ernoux weiter:»diese Gehäuse lassen sich mit bestehenden Oberflächenmontagetechniken verarbeiten.«infineon wiederum hat die DirectFET-Gehäusetechnik 2007 lizenziert und nutzt sie beispielsweise in seinen CanPAK-Gehäusen für MOSFETs mittlerer Spannungsklassen. Daneben hat das Unternehmen mit der Blade-Gehäusetechnik auch eine eigene Technologie entwickelt. Auf einen weiteren Ansatz weist Masaharu Nakanishi hin, Product Manager SiC, HV- MOSFET von Rohm Semiconductor, denn das Unternehmen setzt auf die so genannte Al- Ribbon-Bonding-Technik, bei der zur Kontaktierung der Halbleiter Aluminiumbändchen (Ribbon) statt Bonddrähte genutzt werden. Auch in diesem Fall gibt es natürlich auch andere Hersteller, wie STMicroelectronics, die diese Technik nutzen. Die DirectFET sind High-Performance-Gehäuse mit beidseitiger Kühlung Für Stephen Ahrens, Marketing Manager MOSFET von ON Semiconductor, sind auch Gehäuse, die einen größeren Halbleiterchip bei gleichem Footprint akzeptieren, eine guter Ansatz, um thermische Probleme zu vermeiden. Daneben würden auch Gehäuse mit exponierter Wärmesenke (exposed pad), wie zum Beispiel das S08FL und u8fl, für eine gute Wärmeabfuhr von der Unterseite des Gehäuses sorgen, besonders dann,»wenn es sich um ein Aluminium-Gehäuse handelt, das einen guten Wärmeleiter zur Umgebung darstellt«, so Ahrens weiter. Das LFPAK56-Gehäuse von NXP Semiconductors ist deutlich kleiner als das DPAK-Gehäuse Quelle: NXP Semiconductors Quelle: International Rectifier Nachdem der thermische Gesamtwiderstand entscheidend ist, stehen natürlich auch dem Anwender diverse Möglichkeiten offen, um die Bauteile vor einem»hitzschlag«zu schützen. Deshalb erklärt Podgorsek, dass insbesondere die thermische Anbindung des MOS- FET an die Umgebung bzw. an das Board optimiert werden muss, um eine maximale Wärmeabfuhr zu ermöglichen.»in kritischen Anwendungen mit besonders hoher Strombelastung empfiehlt sich der Einsatz von ungehäusten Bauteilen auf Keramikboards wie Direct Copper Bond.«Auch mithilfe von Durchkontaktierungen (Vias), mit denen die obere Leiterplattenschicht mit der unteren verbunden wird, lässt sich die Wärmeabfuhr verbessern. Selbstverständlich sind auch Kühltechniken wie Kühlkörper oder Kühlung durch Luft/Wasser ein adäquates Mittel, einer erhöhten Wärmeentwicklung entgegenzuwirken. Werden die eben beschriebenen Möglichkeiten sinnvoll genutzt, treten schlussendlich auch keine Probleme auf. So zumindest lautet die Aussage von Salvatore La Mantia, Technical Marketing Senior Engineer von STMicroelectronics, der abschließend erklärt:»durch die Kombination von beispielsweise dünneren Wafern, Layout-Optimierungen, neuen Bonding-Techniken und verbesserten Gehäuse- Materialien lassen sich die Wärmeprobleme auf der Halbleiterseite minimieren. Wenn dann noch Kühlkörper oder thermische Durchkontaktierungen auf dem Board richtig dimensioniert sind, treten auch bei MOSFETs auf Basis kleinerer Prozessstrukturen keine Wärmeprobleme auf.«(st) 15

16 Silica Passive Bauelemente Avnet Abacus Passive Bauteile für Netzgeräte Avnet Abacus ist ein führender paneuropäischer Distributor von Steckverbindern, passiven und elektromechanischen Bauteilen (IPE) und bietet eine große Auswahl an Produkten als Komplettlösungen zusätzlich zu den von Silica angebotenen Stromversorgungslösungen an. Der vorliegende Artikel stellt die neuesten Produkte einiger führender Hersteller vor und lenkt das Augenmerk vor allem auf die wesentlichen Merkmale, die unter Designingenieuren als zukunftsweisend gelten. Entwickler von Netzgeräten (PSUs) müssen bei ihrer Arbeit heute immer größeren Anforderungen gerecht werden. Sie sollen hochwertige Lösungen anbieten, die bestimmten Kriterien und Standards entsprechen. Bauteile müssen nicht nur die grundlegenden Ein-/Ausgangskriterien für ihre Zielanwendung erfüllen. Häufig sind sie auch rauen und anspruchsvollen Umgebungen ausgesetzt und müssen dort genauso einwandfrei funktionieren. Eine effiziente und zuverlässige Funktion ist zwar Grundvoraussetzung; doch um auf einem wettbewerbsintensiven Markt zu bestehen, muss sich der Hersteller durch besondere Leistungsmerkmale seiner Produkte abheben. Ein anderer wesentlicher Aspekt bei der Entwicklung von Stromversorgungslösungen ist die Sicherheit: Viele Kunden achten darauf, dass die Bauteile, die sie kaufen wollen, international geltenden Normen entsprechen. Diese Voraussetzungen betreffen nicht nur die Art der Stromversorgungslösung selbst; sie gelten auch für im Netzteil verbaute Teile, selbst für scheinbar banale Bauelemente wie Kondensatoren, Induktivitäten und Wider- stände. Erfreulicherweise sind sich die Anbieter von Bauteilen dessen bewusst und bieten Produkte an, die jeweils speziell auf ihre Verwendung in unterschiedlichen Stromversorgungsanwendungen zugeschnitten sind. Kondensatoren: Elektrolyt-, Folienund dielektrische Kondensatoren In ein zylindrisches Gehäuse eingepasste Aluminium-Elektrolytkondensatoren waren jahrelang Kern der meisten SMPS- und USV- Elemente, da nur mit diesen die höheren, für diese Bauteile erforderlichen Speicherkapazitätswerte erreicht werden konnten. Die neuesten Entwicklungen von Herstellern wie TDK sind für immer höhere Betriebsspannungen und -temperaturen ausgelegt. Die Nennspannung der neuesten Generation von Kondensatoren mit Schraubklemmen B43700 und B43720 von TDK konnte von 550 V DC bei der vorherigen Reihe auf 600 V DC erhöht werden. Diese Kondensatoren decken einen Kapazitätsbereich von 1200 bis 6800 μf ab und sind für Temperaturen von bis zu 85 C ausgelegt. TDK hat die Wechselstrombelastbarkeit seiner Snap-In-Serien B43545 und B43547 durch Verringern des Wärmewiderstands und des ESR (äquivalenter Serienwiderstand) verbessert. Diese Reihe weist eine erheblich längere Lebensdauer für Bauteile bis 85 C mit Kapazitäten von 82 bis 2200 μf je nach Einsatz auf. Die äußeren Abmessungen eines Kondensators sind ein wesentlicher Faktor beim Design von Stromversorgungslösungen, die unter engen Platzverhältnissen verwendet werden sollen. Hierzu gehören beispielsweise DC-DC- Wandler, Zwischenkreisumrichter (AC-DC-AC) und LED-Treiber, bei denen Kondensatoren für Leistungsfaktorkorrektur und DC-Ausgangsfilterung eingesetzt werden. Bei diesen Anwendungen sind Folienkondensatoren eine gute Lösung, die geeignete Kapazitätswerte mit erforderlichen Nennspannungen in einem kompakten Format kombinieren. MKP-Folienkondensatoren mit hoher Dichte der B32774/8-Reihe von TDK eignen sich insbesondere für DC-Zwischenkreisumrichter; sie liefern Kapazitätswerte von 1,0 bis 110 μf und Nennspannungen bis 1300 V und ermöglichen einen Betrieb bei bis zu 105 C mit einer Lebensdauer von Stunden. Diese Kondensatoren sind»selbstheilend«und im 4-Pin- Format zu haben, wodurch sie eine größere Stabilität bei Erschütterungen bieten. Bei seinen Folienkondensatoren der B3267x-Reihe hat EPCOS die Abmessungen um 40 Prozent verringert und stellt so einen 1,0-μF- Kondensator mit Abmessungen von 8,0 x 17,5 x 13,0 mm und Anschlussabständen von 10 mm (im Vergleich zu 15 mm in früheren Versionen) zur Verfügung. Außerdem entspricht 16

17 An alle, die eine feine Nase für Effizienz haben. So sparsam waren Leistungshalbleiter noch nie. Mehr Energieeffizienz denn je für Netzteile, Gleichrichter, Motoren, erneuerbare Energien und weitere Anwendungen. Power Solutions von Renesas. Folgen Sie Ihrer Spürnase: Power Solutions von Renesas. Die Vorteile der neuen energieeffizienten Leistungshalbleiter Weniger Energiekosten, mehr Leistung Bis zu 95% Schwachlast-Effizienz für lange Akku- und Batterielebensdauern Stromverteilung mit bis zu 96% Wirkungsgrad

18 Silica Passive Bauelemente das Kunststoffgehäuse dieser Folienkondensatoren den UL94-v-0-Brennbarkeits-Kriterien was die vorstehend schon erwähnte Notwendigkeit der Erfüllung geltender Normen und Spezifikationen unterstreicht. Schaltnetzteile, die IGBT-Module verwenden, können eine erhebliche Quelle elektromagnetischer Störungen (EMI) sein. In Snubber- Schaltungen werden Folienkondensatoren zur Spannungsreduzierung und Reduzierung von durch diese IGBTs ausgelösten Stromspitzen eingesetzt. Die metallisierten Polypropylenfolien-Snubber-Kondensatoren von Vishay lassen sich direkt auf ein IGBT-Modul montieren und decken den breiten Kapazitätsbereich von 0,047 bis 10 µf ab. Wie bei den meisten Technologien, sieht man sich auch hier häufig Zielkonflikten ausgesetzt. In der Regel werden Keramikkondensatoren bei Anwendungen eingesetzt, die hochzuverlässig arbeiten müssen, beispielsweise in militärischen und Luftfahrtsystemen, in Telekomnetzen und in der Medizinelektronik. Weil Bauteile in einem breiten Temperaturbereich und bei hohen Spannungen funktionieren müssen, ist der verfügbare Kapazitätsbereich oft eingeschränkt, doch durch Begrenzung der Spannung auf 25 V hat AVX den Kapazitätsbereich bei seiner neuesten MIL- PRF SMPS-Kondensatorreihe erhöht. Diese Reihe bietet ein hohes Zuverlässigkeits- Screening gemäß der Spezifikation MIL- PRF B-Level und arbeitet im bei militärischen Ausrüstungen üblichen Temperaturbereich von 55 bis +125 C bei Kapazitätswerten von 1,5 bis 390 μf. Induktivitäten: magnetisch geschirmte und Perlinduktivitäten Während die Entwicklung der Schalttechnologie für Stromversorgungen zunächst zwar die Möglichkeit bot, auf schwere und sperrige Netztransformatoren zu verzichten, so waren bei diesen Designs doch immer noch relativ hochwertige Induktivitäten erforderlich. Die Weiterentwicklung zweckbestimmter integrierter Schaltungen für DC-DC-Wandler hat dann zu Stromversorgungslösungen mit elektrischen Spannungen geführt, die erhöht oder verringert wurden, je nach Erfordernis am Point of Load (POL). Solche Wandler sind heute klein genug, um in mobilen elektronischen Geräten wie Laptops und Tablets eingesetzt werden zu können somit werden dafür aber auch entsprechend kompakte Induktivitäten benötigt. Bourns hat auf diese Nachfrage reagiert und neue, geschirmte Hochstrominduktivitäten auf den Markt gebracht, die gekapselt sind und einen Eisenpulverkern verwenden, wodurch eine kompakte Größe, ein niedriger Gleichstromwiderstand und eine hohe Stromtragfähigkeit erreicht werden. Der magnetisch geschirmte Aufbau sorgt für geringe Strahlung. Dadurch kann die Bauteildichte auf der Leiterplatte erhöht werden. Die SRP5030T-Reihe hat bei einer Standfläche von 5,7 x 5,2 mm und einer Höhe von 2,8 mm, eine Induktivität von 0,33 bis 10 μh, eine Wechselstrombelastbarkeit von bis zu 14 A ( 40 bis +125 C) und einen Sättigungsstrom von bis zu 18 A. Die SRP6540-Serie hat eine Induktivität von bis zu 47 μh in einem etwas größeren Gehäuse von 7,2 x 6,5 x 4 mm (Höhe), eine noch niedrigere Betriebstemperaturbereichsgrenze von 55 C und eine Wechselstrombelastbarkeit und einen Sättigungsstrom von bis zu 18 A. Schaltnetzteile, DC-DC-Wandler und DC-AC- Wechselrichter arbeiten in der Regel bei Schaltfrequenzen von 100 khz bis 1 MHz. Wie bereits im Zusammenhang mit den Snubber- Kondensatoren erwähnt, kommt es bei diesen Frequenzen zu unerwünschten elektromagnetischen Störungen, vor allem wenn die Stromleiter im Netzteil unbeabsichtigt als Antenne fungieren und somit die Ausbreitung dieser RF-Signale begünstigen. Eine herkömmliche Methode zur Unterdrückung dieser Signale ist das Anbringen von Ferritperlen an den Kabeln, die bei Verwendung in Induktivitäten auch einen wirksamen Tiefpassfilter bilden. Auch Murata hat auf die Nachfrage nach kompakten, oberflächenmontierten Perlinduktivitäten in Anwendungen reagiert, für die wenig Grundfläche zur Verfügung steht. Die niedrigen Induktivitätswerte (80 bis 200 nh) und der hohe Nennstrom (bis 57 Apk) ihrer 3000Aund 3000B-Reihe flacher Induktivitäten sind für Hochfrequenz-PSUs geeignet, und die Verwendung von verlustarmem Kernmaterial in Verbindung mit einem niedrigen Serienwiderstand äußert sich in einem hohen Gesamtwirkungsgrad. Widerstände: Sicherheitswiderstände und selbst-rückstellende Sicherungen Diese Art von Widerständen ist als Überlastschutz (Überstrom und Überspannung) für Netzgeräte vorgesehen und hilft den Entwicklern bei der Einhaltung von UL- und anderen Sicherheitsrichtlinien. Vishay beschreibt Sicherheitswiderstände als»lautlose«sicherungen; bei normalem Betrieb fungieren sie als Einschaltstrombegrenzer, schmelzen unter Überlastbedingungen jedoch sicher und leise. Schraubklemmen-Aluminium-Elektrolytkondensator von EPCOS Quelle: Avnet Abacus Seine axial zementierten, drahtgewickelten AC03-Sicherheitswiderstände haben eine Impulsfestigkeit von 2 kv und eine Schmelzzeit von <30 s bei einer Überlast von 45 W im Vergleich zur Nennspannung von 3 W bei 40 C. Rücksetzbare Sicherungen sind echte nichtlineare Thermistoren mit einem positiven Temperaturkoeffizienten auf Polymerbasis (PPTC). Im normalen Betrieb haben sie einen niedrigen Widerstand. Sobald sie sich dem definierten Auslösestrom annähern, erreicht das Gerät eine Schwellentemperatur, oberhalb derer der Widerstand drastisch steigt, den Strom wirksam begrenzt und das Gerät abschaltet. Wenn das Gerät abgekühlt ist, kehrt das Gerät in den normalen Betriebszustand zurück. Sollte der Fehler weiterhin vorhanden sein, löst der PPTC wieder aus. Die neue MF-RM-Reihe radialer, rücksetzbwarer Durchstecksicherungen ist die erste Serie von PPTC-Elementen der Firma Bourns, die mit normalem Wechselstrom von bis zu 240 V betrieben werden können, sodass sie sich für eine Reihe von industriellen und Haushaltsendgeräte-Netzteilen eignen. Zusätzlich zu den vorstehend genannten Herstellern ist Avnet Abacus Lizenzvertragshändler folgender Hersteller in Europa, die passive Komponenten für Stromanwendungen anbieten: Cooper Bussmann, Dubilier, NIC, Nichicon, Panasonic, Pulse, Rubycon, Samsung, Schaffner, TE Connectivity, Toko und Vitrohm & Yageo. (st) 18

19 Silica Entwicklungsumgebung Ein Überblick Simulations-Tools der Hersteller Die Hersteller von Power-Produkten bieten den Entwicklern diverse Simulations-Tools an, um ihnen die Entwicklung von Power-Designs zu erleichtern. Von Franco Montanari * Im WEBENCH Design Centre ( webench) sind sowohl Grundlagen-Tools für das Design von Schaltungen sowie fortschrittliche Tools zu finden, die beim Design auf Systemebene helfen. Die WEBENCH Design Tools bieten folgende Funktionen: Der Anwender kann sein Design in Bezug auf Größe, Wirkungsgrad oder Kosten optimieren; Visualisierungsmöglichkeiten für die unterschiedlichen Optimierungsansätze; SPICE-Simulation für eine schnellere und tiefergehende Analyse des Power-Designs; Leistungsstarke Export-Funktionen in CAD- Tools, um die Produktivität zu erhöhen und die Entwicklungszeit zu verkürzen. Texas Instruments stellt folgende Design- Tools zur Verfügung: WEBENCH Power Designer: Hiermit lassen sich Stromversorgungen oder Spannungswandler entwickeln, die speziellen Design- Anforderungen genügen müssen. Der Entwickler kann zwischen allen möglichen Lösungen wählen, indem er das WEBENCH Visualizer Interface nutzt und die speziellen Präferenzen über den WEBENCH Optimizer Dial einstellt. WEBENCH LED Designer: Damit kann der Entwickler eine LED-Beleuchtung mit bis zu 60 LEDs (in Serie oder parallel geschaltet) realisieren. Detaillierte Informationen über 450 der neuesten LED-Komponenten von führenden Herstellern sind verfügbar. Der Entwickler kann die Anforderungen an Größe und Wir- kungsgrad auswählen und vergleichen und das Schaltungsverhalten simulieren. WEBENCH Power Architect: Damit kann der Entwickler leistungsfähige DC/DC-Stromversorgungen mit mehreren Ausgängen realisieren, einschließlich einer ganzen Reihe von Zwischenkreisspannungen, und das Design optimieren. WEBENCH System Power Architect: Damit können Entwickler isolierte hotswap-fähige Stromversorgungsysteme, vom Einspeisungspunkt bis hin zur kleinsten Last, realisieren. Mehr als 200 FPGAs und Prozessoren stehen vorkonfiguriert mit den kritischen Parametern zur Verfügung. WEBENCH Processor Power Architect: hilft Stromversorgungen für ARM-Prozessoren innerhalb von Minuten zu modellieren und zu optimieren. Im Tool stecken detaillierte Angaben zur Stromversorgung von über 450 FPGAs und Mikrocontrollern/Mikroprozessoren. WEBENCH FPGA Power Architect: hilft bei der Realisierung von Stromversorgungen für die neuesten FPGAs, einschließlich aller Anforderungen an Spannungen und Ströme. Mit ihm lassen sich mehrere Spannungen und * Franco Montanari ist Strategic Marketing Director Europe bei Silica. mehrere Lasten zu Simulations- und Optimierungszwecken eingeben. WEBENCH LED Architect: Damit können alternative LED-Beleuchtungs-Designs (bis zu einem Lichtstrom von Lumen) entworfen und hinsichtlich Wirkungsgrad, Größe und Kosten verglichen werden. Bei STMicroelectronics edesignsuite (www. st.com/edesignsuite) handelt es sich um ein intelligentes Simulations-Tool. Es eignet sich für viele verschiedene Applikationen, einschließlich DC/DC-Schaltregler, AC/DC- Schaltregler, LED-DC/DC- und AC/DC-Wandler, Photovoltaik und Batterieladegeräte. Sobald der Entwickler eine Applikation ausgewählt und die I/O-Spezifikationen eingegeben hat, wird er zu den richtigen ICs weitergeleitet, so dass er seine Schaltung schnell erstellen kann. Danach kann er das Design noch verfeinern, indem er Standard-Komponenten (LEDs, Spulen, Kondensatoren) nimmt und das Design einfriert, basierend auf folgenden Ressourcen: Vollständig interaktive Schaltpläne und Materialkosten; Bode-Diagramm zur Stabilitätsbetrachtung, Verlustleistung und Analyse des Wirkungsgrads Simulation des Spannungs- und Stromverlaufs. 19

20 Silica Entwicklungsumgebung Infineon bietet eine Vielzahl von Tools ( die dem Entwickler dabei helfen, auf Basis seiner Anforderungen für seine Applikation das richtige Produkt zu finden. Geht es um Leistungselektronik, dann kann er unter drei Online-Simulations-Tools auswählen: Infineon Light Desk: ein Online-Tool für das Design von LED-Treibern. Damit kann der Entwickler seine LED-Treiberschaltung schnell designen und simulieren. Mit den Optionen zum Redesign kann er die Spezifikationen der externen Komponenten gemäß seinen eigenen Vorstellungen verändern. Im Ergebnisbereich findet er eine Zusammenfassung des Applikationsschaltplans und der Simulationsdaten sowie eine Auflistung der Materialkosten, einschließlich Details über den Trafo. Das Tool kann auch für AC/DC-Offline-Stromversorgungen, DC/DC-LED-Treiber und lineare Stromquellen genutzt werden. Link zum PowerEsim portal: Die Entwickler können vom Infineon-Portal direkt auf das PowerESim-CAD-Tool zugreifen, das für die Entwicklung von Schaltreglern für verschiedene Anwendungen genutzt wird. Es müssen ein paar Eingaben gemacht werden, zwischen den verschiedenen Topologien (zum Beispiel Flyback AC/DC, PFC CCM AC/DC, PFC DCM, LLC DC/DC, Full Bridge DC/DC, LED Treiber mit Leistungsfaktorkorrektur,etc.) eine ausgewählt werden, und schon wird das Design erstellt, eine Simulation durchgeführt und die komplette Materialkosten berechnet. Mit diesem Tool kann auch der Trafo entworfen werden. IPOSIM: Das Power-Simulationsprogramm von Infineon unterstützt den Entwickler bei der Auswahl des richtigen Produkts, sei es ein Bipolar-Modul oder Scheiben für einen Gleichrichter (B2, B6, M3.2 und M6) oder AC-Schalter (W1C und W3C), oder ein IGBT- Modul für einen Inverter oder DC-Wandler (Aufwärts-und Abwärtswandler). IPOSIM führt die Berechnungen für die Schalt- und Leitungsverluste aller Komponenten durch und berücksichtigt dabei auch thermische Vorgaben. Wo möglich, können auch verschiedene Regelalgorithmen angewandt Der Entwickler erhält gemäß seiner speziellen Vorgaben in wenigen Minuten einen Schaltplan, die Materialkosten und Leistungsdaten. Er kann die gewünschten Spulen, Feldeffekttransistoren, Dioden und Widerstände auswählen, aber auch direkt ein Evaluierungs-Board bestellen, um sein Dewerden. Thermische Bedingungen können durch Kühlkörper adressiert werden, die der Entwickler selbst definiert oder indem er bereits definierte Kühlkörper verwendet. Neben einzelnen Arbeitspunkten lassen sich auch komplette Lastzyklen berechnen. Die Ergebnisse werden tabellarisch und graphisch dargestellt und können für eine spätere Betrachtung ausgedruckt oder als PDF-Datei abgespeichert werden. Mit dem EE-Sim Design-Generation und Simulations-Tool ( von Maxim Integrated können Schaltungen online erstellt und simuliert werden. Dazu muss der Entwickler detaillierte Eingaben machen, mit denen das EE-Sim Tool einen interaktiven Schaltplan einschließlich der Komponenten erstellt, die vom Entwickler wiederum verändert werden können. EE-Sim stellt aber gleichzeitig auch ein sehr effizientes Simulations-Tool dar. Jeder Design-Schritt kann innerhalb von wenigen Minuten simuliert werden. Die entstandenen Kurvenverläufe, wie das Bode-Diagramm und Spannungskurven, können im Waveform-Viewer analysiert werden, der im Tool inbegriffen ist. Danach müssen nur noch die Spezifikationen, der Schaltplan, die Materialkosten und die Ergebnisse abgespeichert oder ausgedruckt werden. Die Materialkosten, einschließlich der Bauteilenummer, können heruntergeladen werden. Der Entwickler kann sich aber auch eine Version von EE-Sim auf seinen Rechner kostenlos herunterladen und dort die beschriebenen Schritte durchführen. Auf der Web-Seite MyPower ( com/design-center/mypower/) sind die Tools von International Rectifier für Power-Designs zu finden. Das POL SupIRBuck Design Tool hilft bei der Entwicklung von DC/DC-Wand- lern. Mit dem PFC Circuit Analyzer und einem Satz an Komponenten kann ein komplettes Design aufgebaut werden, das der Entwickler dann analysieren kann, einschließlich der vollständigen Materialkosten. Der Sync Rec Evaluator wird für das Design synchroner Gleichrichterschaltungen genutzt. Mit dem Tool kann der Wirkungsgrad verbessert werden, verschiedene MOSFETs können verglichen und alle Werte berechnet werden. Der Ballast Design Assistant generiert ein vollständiges elektronisches Schaltbild des Vorschaltgeräts, die dazugehörige Bauteilliste sowie alle Drossel-Spezifikationen für einen gewählten Lampentyp und Eingangsspannungsbereich. Es steht zusätzlich eine erweiterte Darstellung aller Lampenanforderungen und der dazugehörigen Arbeitspunkte der Vorschaltgeräte zur Verfügung. Die Graphik»Time Domaine«zeigt die wirklichen Ausgangskurven der Vorschaltgeräte. Mit dem Inductor Designer können auch alle Werte für die Spulen berechnet werden, wie Kerngröße, Luftspalt und Anzahl der Wicklungen. Tabellen mit elektrischen Daten und Komponenten sind ebenfalls enthalten, so dass die gesamte Vorschaltproduktfamilie optimiert werden kann. Der MOSFET-Selector für Buswandler wird dazu verwendet, um MOSFET-Paare für Halb-, Vollbrücken und Vorwärtswandler optimal auszuwählen.die IGBT-Tools wiederum helfen bei der Auswahl und Optimierung von IGBTs unter Berücksichtung der Arbeitstemperatur. Bei Analog Devices kann der Entwickler auf der ADIsimPower Web-Seite ( tools.analog.com/dtpowerweb/dtpower- Main.aspx) eine Sammlung von Excel-Tabellen finden, die er herunterladen und mit denen er vollständige Power-Designs erstellen kann. Die Designs sind in Hinblick auf Kosten, Fläche, Wirkungsgrad und Komponentenanzahl optimierbar. 20

21 sign aufzubauen und zu testen. Auf der Web- Seite für die Multi-Output-Spannungsregler kann der Entwickler mehr darüber lernen, wie er ein Design mit mehreren Ausgangsspannungen in einem kleinen Gehäuse und zu niedrigen Kosten realisieren kann. Der Diodes Circuit Simulator ( diodes.com/destools/simulators.htm) ist ein Simulator, den die Entwickler kostenlos herunterladen können. Damit können sie eine Schaltung erstellen und simulieren, bevor ein Prototyp erstellt wird. Mithilfe der SPICE- Modelle von Diodes kann der Entwickler schnell die besten Komponenten für seine Die Online-Design-Tools des Halbleiter-Herstellers NXP Semiconductors ( nxp.com/design-portal/simport.html) beinhalten zum Beispiel die Flyback SMPS Design Tools. Mit diesen Entwicklungswerkzeugen kann der Entwickler Flyback-Wandler auf Basis der kostengünstigen Schaltregler-ICs TEA1721, TEA1723, TEA1733 und TEA1738 realisieren. Danach kann er alle Design-Parameter, Ergebnisse und Kurvenverläufe automatisch in ein Excel-Sheet exportieren, um sie dort weiterzuverarbeiten oder einfach nur zu präsentieren. Der Entwickler wird Schritt für Schritt durch die Berechnungen geführt, so dass er alle relevanten Parameter erhält. Das»Isolated and Non Isolated LED Driver Design Tool«hilft bei der Entwicklung von LED-Treibern für einen Leistungsbereich zwischen 2 und 25 W. In den Applikationen sind SSL-Lampen mit alten Fassungen (zum Beispiel GU10, E27), LED-Module, separate Stromversorgungen, LED-Spots und LED- Lichterketten zu finden. Die Ausgangsleistung wird vom Entwickler definiert und festgelegt. Das Dimmen erfolgt entweder mithilfe einer Pulsbreitenmodulation oder einer Netzdimmbaren Lösung. Das Tool erzeugt den Schaltplan, berechnet die Materialkosten, die Trafo-Parameter sowie den Wirkungsgrad und bietet einen Überblick über die Verluste. Um die Applikation besser zu verstehen, kann der Entwickler sein Design simulieren online oder lokal auf der eigenen Festplatte, sobald er den Schaltplan und Simulator heruntergeladen hat. Getting you to market faster: free quick and easy to use PowerLab Power Reference Design Library ti.com/powerlab-eu WEBENCH Design Center ti.com/webench-eu Power Stage Designer ti.com/powerstagedesigner TI Power Design Tools Find out how TI will power your solutions: Applikation bestimmen. Der Diodes Simulator ist ein analoger Simulator, der sich hervorragend für die Entwicklung von Leistungsschaltungsblöcken eignet. Sobald der Diodes Circuit Simulator heruntergeladen wurde, sollte der Entwickler ihn auf seine lokale Festplatte speichern und das Installationsprogramm aufrufen. Sobald die Installation abgeschlossen ist, kann der Entwickler so viele Schaltpläne öffnen oder herunterladen, wie er möchte. Die Auswahl an Simulationsbeispielen basiert auf den Produkten von Diodes. Die Schaltungen können als Hilfestellung benutzt werden, bevor der Entwickler seine eigene Schaltung aufbaut. Allerdings sind wie bei allen Simulationen nicht alle Aspekte der wirklichen Schaltungsperformance modelliert, was bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden sollte. Mit dem»resonant SMPS Design Tool«lassen sich Stromversorgungs-Designs auf Basis der Resonanz-Controller TEA1610, TEA1611 und TEA1713 LLC von NXP Semiconductors deutlich vereinfachen. Die Software startet mit einer Überblicksansicht, auf der der Entwickler die Produkte auswählen kann, die am besten in seine jeweilige Applikation passen. Das Tool erzeugt Schaltpläne, es berechnet die Materialkosten und die Trafo-Parameter. Darüber hinaus berechnet es auch die Verlustleistung. Mit der SIMPORT MOSFET Simulation kann die Auswahl des MOSFETs innerhalb einer speziellen Applikationsumgebung optimiert und die Leistungsfähigkeit der MOSFETs schnell beurteilt werden. Die Simulation der MOSFET-Leistung geschieht interaktiv und bietet eine Analyse, die weit über die Daten aus den Datenblättern hinausgeht. arket faster: MIt dem Online-Design-Tool»ROHM Electronic Laboratory«( global/rohm_e-lab) kann der Entwickler Produkte und Schaltungen im Web evaluieren. Schaltungskonstanten und Eingabeparameter können frei gewählt werden und die erzeugten Bauteilelisten vereinfachen die Produkteauswahl deutlich. Die Produktpalette wird ständig erweitert, so dass es sich lohnt, die Webseite regelmäßig zu konsultieren. Die 21

22 Silica Entwicklungsumgebung nutzbaren IC-Serien umfassen Schaltregler und H-Brücken-Treiber. Mit dem Tool können Charakteristika und Betrieb einfach verifiziert und evaluiert werden. Der Entwickler kann die Betriebsbedingungen und Schaltungskonstanten vollkommen frei angleichen. Das Tool erzeugt nach der Verifikation Bauteilelisten. Die Modifikation in den Listen werden vom Tool gespeichert, so dass mit den bereits erarbeiteten Daten zu einem späteren Zeitpunkt weitergearbeitet werden kann. Das»GreenPoint Design Simulation Tool«( von ON Semiconductor ist ein interaktives Design- und Verifikations-Werkzeug, mit dem die Entwickler relativ einfach elektronische Designs erstellen und validieren können. Es stehen Online-Tools sowohl für LED-Designs als auch für DC/DC-Wandler zur Verfügung. Nachdem der Entwickler einen geigneten Baustein ausgewählt und seine Design- Anforderungen eingegeben hat, kann er das Design simulieren und analysieren, speichern und das Design auch mit anderen teilen. Er kann den Schaltplan, die Materialkosten und die berechneten Leistungswerte herunterladen. Das Offline-Tool beinhaltet eine beschränkte Version des SIMetrix/SIMPLIS Simulators. Mit dieser Version kann der Entwickler sein Design offline erstellen und simulieren, indem er die heruntergeladenen Schaltpläne aus dem Online-Tool verwendet. Bei Renesas Electronics können die für die jeweilige Anwendung am besten geeigneten IGBT/SJ-MOSFETs unter der Web-Adresse peer/designtopologies.jsp anhand von verschiedenen Design-Topologien ausgewählt werden. Es stehen folgende Topologien zur Verfügung: Single PFC (Leistungsfaktorkorrektur), 2-Phasen-Interleaved-PFC, Brückenlose PFC, ZVS- Inverter (Single Switch), Halbbrücken-Inverter, Vollbrücken-Inverter, 3-Phasen-Inverter (Motor), Flusswandler, Vollbrücken-Wandler, Halbbrücken-Wandler, Flyback-Wandler. Der Entwickler kann mit Power esim sein Design simulieren und den Wirkungsgrad berechnen. (st) Ein wichtiger Eckstein in Silicas Power-Strategie: Die Silica Power-Labs Silica baut derzeit in Poing bei München, in Stockholm, London, Mailand und Paris Power-Labs auf. Jedes einzelne Power Lab wird zunächst mit folgendem Equipment ausgestattet sein: 4-Kanal-Oszilloskope: 100 MHz Bandbreite, 2,5 GS/s; Stromzange: 30 A, 120 MHz, kompatibel zum Oszilloskop, Gleichstromversorgungen mit drei Ausgängen: 2 mal 32 V - 2 A, einmal 6 V bis 5 V, 3-mV-Schritte, parallel und serielle Verbindungen, programmierbar; Multimeter zur Messung von Spannung, Strom, Widerstand, Kapazität, Dioden, Frequenzen; Elektronische Last: 0 bis 160 V, 0 bis 400 W, konstante Leistung, konstante Spannung und konstanter Widerstand; Temperaturmessgerät; Lötstationen (80 W) mit Temperaturregelung; Testkabel und anderes Zubehör; Power-Simulator-Software. Dieses Equipment stellt zunächst einmal die Grundausstattung dar, mit der Silica all seine Power-Labs noch in diesem Jahr ausrüsten wird. Selbstverständlich wird die Ausstattung erweitert und ergänzt, wenn sich im Laufe der Zeit zeigt, dass noch zusätzliches Equipment benötigt wird. Die Investitionen in diese Power-Labs werden auf konkreten Anwendungserfahrungen basieren. Damit sollen folgende Ziele erreicht werden: Silicas Mitarbeiter können ihr Wissen rund um die Power- Technologien vergrößern und verbessern, wenn sie Hands-on- Trainings absolvieren und Tests durchführen. Sie können dort die Evaluation- und Demo-Boards der Silica-Lieferanten nutzen und sich gründlich einarbeiten. Denn mit dem dort verfügbaren elektronischen Equipment können sie die technischen Parameter der Boards besser verstehen. Sie haben darüber hinaus die Möglichkeit, das Verhalten von Schaltungen zu simulieren und die Ergebnisse mit dem zu vergleichen, was in den Datenblättern und den Handbüchern steht. Die FAEs von Silica können die Power-Labs aber auch dazu nutzen, die Designs ihrer Kunden zu analysieren. Damit sind sie in der Lage, dem Kunden dabei zu helfen herauszufinden, ob das, was entwickelt wurde, auch mit dem übereinstimmt, was ursprünglich verlangt wurde. Es stehen alle Hilfsmittel zur Verfügung, mit denen sich prüfen lässt, ob die Elektronik stabil läuft und genau das liefert, was erwartet wird. Das Equipment vor Ort kann somit sowohl den Silica-FAEs als auch den Silica-Kunden dabei helfen, die Funktionalität eines Designs zu analysieren und die Zuverlässigkeit der Power-Schaltungen zu überprüfen. Beide Seiten können die elektrische und thermische Leistungsfähigkeit eines Designs verifizieren. Mit den Power-Labs ist Silica aber auch in der Lage, Kunden effektiv dabei zu helfen, ihre Designs gemäß ihrer speziellen Anforderungen auszulegen und die elektrischen Leistungsparameter ihrer Endprodukte zu verbessern. Auch die Verifikation komplett neuer Designs und innovativer Ansätze stellt für die Power-Labs kein Problem dar. Alle Ergebnisse, die in den Power-Labs durch elektrische und funktionale Tests ermittelt wurden und die das Verhalten der Schaltung beschreiben, können in detaillierten Berichten zusammengefasst werden, um sie danach weitergehend zu analysieren. (st) 22

23 The world s first digitally enhanced power analog controller New analog-based power management controller with integrated microcontroller Combine the fl exibility and I 2 C communication of digital DC/DC power conversion, with the speed, performance and resolution of analog-based control, by using Microchip s new MCP19111 power management controller. The MCP19111 is a new hybrid, mixed-signal controller which combines analog and digital power management into a single chip. By integrating an analog-based PWM controller, a Flash-based 8-bit PIC microcontroller, and MOSFET drivers for synchronous,step-down applications, the MCP19111 enables configurable, highefficiency power conversion. With transient performance of analog power conversion, the MCP19111 eliminates the need for a high-mips microcontroller or a high-speed A/D converter, minimising solution costand power consumption. To support even higher efficiency, the MCP19111 canbe used to drive Microchip s latestmcp87xxxhigh-speed, SMPS-optimised MOSFETs. These logic-level 25V MOSFETs offer a low Figure of Merit (FOM) with on-state resistance from 1.8 mω to 13 mω to deliver higher DC/DC power conversion efficiency. GET STARTED IN 3 EASY STEPS: 1. Evaluate the MCP19111 using the low-cost ADM00397 board 2. Combine with SMPS-optimised MCP87xxx MOSFETs 3. Customise DC/DC conversion to match your application For more information, go to: The Microchip name and logo, and MPLAB are registered trademarks of MicrochipTechnology Incorporated in the U.S.A. and other countries. All other trademarks mentioned herein are the property of their respective companies MicrochipTechnology Inc. All rights reserved. DS25169A. ME1058Eng02.13D

24 Silica Power-Experten Analog Devices Höhere Effizienz primär geregelter Schaltnetzteile Die neuen isolierten Fehlerverstärker ADuM3190 und ADuM4190 von Analog Devices treten an, um die Nachteile der bisherigen Optokoppler- Lösungen zu eliminieren. Funktionales Blockdiagramm für den ADUM3190 Quelle: Analog Devices Von Henryk Hauer * Das Evaluation-Board EVAL-ADuM3190EBZ Quelle: Analog Devices * Henryk Hauer ist Senior Field Application Engineer bei Silica/Deutschland Der häufig verwendete Aufbau aus Optokoppler und Shunt-Regler für die lineare Rückkopplung hat technologiebedingt einige Limitierungen: Die geringe Bandbreite der Regelschleife begrenzt das Ansprechverhalten bei Last- und Versorgungsspannungsänderungen. Die Änderung der CTR (Current Transfer Ratio) des Optokopplers über Temperatur und Lebensdauer erfordert eine Überkompensation und verringert dadurch zusätzlich die Geschwindigkeit der Regelschleife. Die Ansteuerung der LED im Optokoppler verbraucht ca. 100 mw Energie. Der Arbeitstemperaturbereich der Optokoppler ist meist auf max. 85 C beschränkt. Die auf der inzwischen vielfach bewährten icoupler-technologie von Analog Devices basierenden ADuM3190 und ADuM4190 können als Single-Chip-Lösung hier ihre Vorteile voll zur Geltung bringen. Sie bieten gegenüber einem auf Optokopplern basierenden Ansatz einen deutlichen Performance-Gewinn durch eine bis zu zehnfach höhere Bandbreite bei nur zirka einem Drittel des Stromverbrauchs. Durch die schnellere Regelschleife können die Netzteile höher getaktet werden, wodurch zum Beispiel die Größen von Ausgangsspule und -Kondensator verringert werden können. Hinzu kommen noch der 25-prozentige geringere eigene Platzverbrauch und die garantierten Maximalwerte über den vollen Arbeitstemperaturbereich von 40 bis 125 C. Weitere Vorteile bieten der enthaltene Operationsverstärker, der mit seinem 10-MHz- Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt hohe Schaltfrequenzen ermöglicht, und die integrierte 1,225-V-Referenz, deren Stabilität mit 1 Prozent über Temperatur und Lebensdauer eine hohe Genauigkeit der Ausgangsspannung sicherstellt. Zusammenfassend kann man sagen, dass diese neuen Vertreter der icoupler-familie Entwicklern die Möglichkeit bieten, die Performance von sekundärseitig geregelten Netzteilen in Bezug auf das Transientenverhalten mit der deutlich kostengünstigeren Technik der primärseitigen Regelung zu erreichen. Hier wichtige Eigenschaften der isolierten Fehlerverstärker ADuM3190 und ADuM4190: Bandbreite: 400 khz; 0,5% Anfangsgenauigkeit bei 25 C; 1% Gesamtgenauigkeit von 40 bis +125 C weiter Eingangsspannungsbereich von 3 bis 20 V; geringe Stromaufnahme von unter 7 ma; als Spannungs- oder Stromausgang konfigurierbar; Unterspannungs-Abschaltung (UVLO); kompatibel zum DOSA-Standard (Distributed-power Open Standards Alliance); Isolationsspannung: 2,5 kv rms (ADuM3190) bzw. 5 kv rms (verstärkt, ADuM4190) Mit dem Evaluation Board»EVAL-ADuM3190- EBZ«( EVAL-ADUM3190/eb.html) ist ein schnelles Erproben der Vorteile des ADUM3190 möglich. Im zugehörigen User Guide»UG-534«( stehen zusätzliche Hinweise zur Messung der Genauigkeit und zum Layout zur Verfügung. (st) 24

25 Diodes LED-Treiber für High-Brightness-LEDs Die AL9910/A-Bausteine von Diodes sind Hochvolt-PWM-Controller, die sich hervorragend für effiziente Offline-LED-Beleuchtungen mit gleichgerichteter Netzspannung von 85 bis 277 V (AC) eignen. Von Simone Franceschin * * Simone Franceschin ist Field Application Engineer bei Silica, Italien. Der AL9910 treibt einen externen MOS- FET mit einer über einen Widerstand programmierbaren Schaltfrequenz bis 300 khz an. Die AL9910-Topologie erlaubt einen Konstantstrom für LEDs, um einen konstanten Lichtstrom zu erzeugen. Der Ausgangsstrom wird über einen externen Widerstand programmiert und ist letztlich durch den gewählten externen MOSFET bestimmt. So ist es möglich, sowohl viele stromsparende als auch nur einige LEDs anzutreiben. Die LED-Helligkeit kann über einen linearen und über einen PWM-Dimm-Eingang (entweder über den LD-Pin oder PWM_D-Pin) variiert werden. Der PWM_D-Eingang arbeitet mit einem Tastverhältnis von 9 bis 100 Prozent und einer Frequenz von bis zu einigen khz. Der AL9910 kann Eingangsspannungen von bis zu 500 V standhalten, wodurch er sehr robust gegenüber Spannungsschwankungen in der Standardhauptspannung ist. Der Baustein weist folgende wichtige Eigenschaften auf: eine Effizienz von über 90 Prozent; universelle, gleichgerichtete Eingangsspannungen zwischen 85 bis 277 V (AC) Eingangsspannungspitzen von bis zu 500 V; interner Spannungsregler macht Startup- Widerstand überflüssig 7,5 V MOSFET-Ansteuerspannung (AL9910) bzw. 10 V MOSFET-Ansteuerspannung (AL9910A); Strommesstoleranz von 5 Prozent (AL9910-5); Helligkeitsregelung mit linearem oder PWM-Dimmen Schutz gegenüber Übertemperatur (OTP); verfügbar in SO-8- und SO-8EP Gehäusen. Die LED-Treiber eignen sich für Offline-LED- Beleuchtungssysteme sowie für Beschilderungen und dekorative Beleuchtungen auf Basis von LEDs. Darüber hinaus können die Bausteine auch in der Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen eingesetzt werden oder als General-Purpose-Konstantstromquelle zum Einsatz kommen. Für die Bausteine stehen Entwicklungs-Tools zur Verfügung. Das Evaluation-Board (AL9910EV9) eignet sich zur Evaluierung einer dimmbaren Beleuchtungsanwendung. Das Triac-dimmbare Board eignet sich für eine Phasenanschnitts- und Phasenabschnittsdimmung. Der Dimm-Bereich reicht von voller Helligkeit bis hinunter zu noch rund 1 Prozent Helligkeit. Die Ausgangsleistung kann zwischen 8 bis 13 W gewählt werden. Auf dem Board ist eine aktive Leistungsfaktorkorrektur mit einem Leistungsfaktor von über 0,9 Prozent implementiert. Das Board kommt ohne elektrolytische Kondensatoren aus und ermöglicht eine lange Lebensdauer. Darüber hinaus gibt es auch ein Evaluation- Board (AL9910EV8) für nicht-dimmbare Anwendungen mit 230 V (AC). Hier kann eine Ausgangsleistung zwischen 2 und 11 W gewählt werden. Auch hier ist eine aktive Leistungsfaktorkorrektur mit einem Leistungsfaktor von über 0,9 Prozent implementiert. Das Board kommt ohne elektrolytische Kondensatoren aus, ermöglicht eine lange Lebensdauer und eignet sich für den Betrieb bei hohen Temperaturen. (st) Die wichtigsten Parameter der LED-Treiber Quelle: Diodes 25

26 Silica Power-Experten Infineon Technologies One Stop Shopping für kleine Elektrofahrzeuge Obwohl der Markt für Elektrofahrzeuge in jüngster Zeit enorm gewachsen ist, stellen der hohe Preis und die Systemzuverlässigkeit immer noch Problempunkte dar. Um die Entwicklungskosten zu reduzieren und eine optimale Lösung zu finden, bietet Infineon wertvollen zusätzlichen Support an. Von Richard Lenz * * Richard Lenz ist Field Application Engineer bei Silica/Schweiz. Die wichtigsten Funktionsblöcke in einem Motorantrieb Die E-Bike-Technologie gilt aufgrund ihres hohen Marktanteils als Treiber für alle anderen LV-E-Fahrzeuge (LV: Low Voltage), wobei Low Voltage bei E-Bikes maximal 50 V bedeutet. Die wichtigsten elektrischen Funktionsblöcke eines Standard-E- Bikes sind Antriebsmotor, Batterieladegerät, Beleuchtung und Status-Display. Für die Antriebssteuerung des Motors sind folgende Funktionen nötig (siehe Grafik): ein Mikrocontroller, der die Ausgangsleistung basierend auf Signalen der Hall-Sensoren sowie Geschwindigkeit und Bremsstatus berechnet, die Hauptstromversorgung und die aus der 24/48-V-Batteriespannung abgeleiteten 15 und 5 V (z.b. der Dual-LDO IFX21004), MOSFETs und Treiberstufe, um den Motor mit Leistung zu versorgen (hierfür eignen sich Infineons Optimos-ICs besonders gut), Hall-Sensoren (z.b. TLE4961-1M/L) zur Information der Rotorposition des Motors. Für eine maximale Eingangsspannung von 60 V können ein DC/DC-Schaltregler wie der IFX SKV (für höchste Effizienz) oder eine Linearspannungsregler mit zwei Ausgängen wie der IFX21004N genutzt werden. Die ICs Grafik: Infineon erzeugen aus der Batteriespannung (36 oder 48 V) die Spannungen für den Mikrocontroller (5 V) und den MOSFET-Treiber (12/15 V). Um ein E-Bike robust zu machen, müssen auch Fehlfunktionen in Betracht gezogen werden. Solche Fehlfunktionen können mit Infineons Spannungs-Tracker IFX abgedeckt werden. Er trennt im Kurzschluss-Fall am Sensor die Stromversorgung des Sensors von der des Mikrocontrollers und hält somit die wichtigsten Steuerfunktionen weiter aufrecht. Auf den MOSFET entfällt einen großer Anteil der Materialkosten (Bill of Material) der Steuereinheit. Generell sind mindestens sechs MOSFETs notwendig. Der Durchlasswiderstand (R DSon ) eines MOSFETs ist einer der wichtigsten Parameter für den Wirkungsgrad des Antriebsmotors. Die Optimos-Technologie (Low-Voltage MOSFETs) von Infineon ermöglicht die niedrigsten R DSon -Werte, wobei die Optimos-Bausteine in einer Vielzahl von Gehäusen zur Verfügung stehen. Optimos-Bausteine erlauben es außerdem, die statischen Verluste auf ein Minimum zu reduzieren, und sie eignen sich hervorragend für E-Bikes. Das Batterie-Management-System (BMS) von Infineon überwacht fortlaufend die Batterieladung und Entladung. Um die Batteriekapazität zu maximieren, sorgt das BMS für einen Zellenausgleich. Dabei werden die Zellen auf demselben Ladezustand gehalten, um zu verhindern, dass Zellen überladen oder unterladen werden. Ein Kommunikationspfad zum Ladegerät, zu den Last-, Wärme-Management- und Notabschalt-Subsystemen wird mithilfe der RS485- Schnittstelle oder in High-End-Lösungen über eine CAN-Schnittstelle realisiert, weil diese sehr robust sind. Infineon bietet hierfür ICs wie den IFX80471, eine Familie von CAN/LIN- Transceivern inkl. IFX1050G. (st) 26

27 International Rectifier Intelligente High-Side-Leistungsschalter Intelligente Leistungsschalter (IPS: Intelligent Power Switches) von International Rectifier bestehen aus einem Leistungs-MOSFET mit niedrigem Leitungswiderstand sowie Schutz- und Steuerschaltungen, und das alles in einem einzigen Gehäuse. Von Carl Vincent * Damit sind IPS die robustesten, effizientesten und kompaktesten Bausteine für raue Umgebungsbedingungen. Dank der integrierten Ladungspumpe sind sie Logik-kompatibel, so dass sie einfach mit Mikrocontrollern verbunden werden können. Auf den IPS sind diverse Schutzfunktionen integriert, unter anderem gegen zu hohe Temperaturen, zu hohe Ströme, gegen Kurzschlüsse und abgewürgte Motoren. Die IPS-Bausteine wurden so ausgelegt, dass sie mit gewöhnlichen Überlastbedingungen sowie diversen Sondersituationen, wie Masseverlust, Lastabfall und Verpolung, sicher umgehen können. Sie verhindern Schaltfehler und zeichnen sich durch die höchste Effizienz aus, ohne dass zusätzliche Bausteine notwendig wären. Überdimensionierungen, um auch selten auftretende Situationen handhaben zu können, werden somit minimiert. Der doppelte Pegelwandler, der den MOSFET im High-Side-Switch (HSS) treibt, ist gegen große Differenzen zwischen Logik- und Lastmasse und kurze Schaltzeiten immun. Eine * Carl Vincent ist Field Application Engineer bei Silica/Frankreich interne Steuerung der Anstiegsgeschwindigkeit beim An-/Ausschalten und die Nutzung einer rauscharmen Ladungspumpe führen zu einem verbesserten EMV-Verhalten. Dank dieser Charakteristika eignen sich die High Side IPS besonders gut dafür, Sicherungen zu ersetzen. Die neue Familie von intelligenten Leistungsschalter, IPS70/71xx, umfasst fünf Terminal- High-Side-Bausteine, die auf der neusten proprietären Vertikaltechnologie von IR basieren. Diese P3 (Power Product Platform) genannte Technologie mit 75 V ist AECQ-100 qualifiziert. Die AUIR33XX und AUIPS60xx- Bausteine eignen sich wiederum für 40-V- Anwendungen Dank des integrierten Schutzes gegen zu hohe Temperaturen schalten die IPS-Bausteine ab, sobald die Junction-Temperatur (Tj) 165 C übersteigt. Um den Baustein neu zu starten, können zwei unterschiedliche Strategien genutzt werden: Der Baustein startet automatisch neu, sobald Tj unter 158 C gefallen ist (IPS60XX und IPS70xx); der Baustein startet neu, sobald er das Signal dazu bekommen hat (IR331X und IPS71XX). Die IPS können also auch als Reset-fähige Sicherungen genutzt werden. Die IPS-Bausteine sind auf zwei Arten gegen zu hohe Ströme (von 3 bis 120 A typ) geschützt: durch einen Strom-Shutdown (IR- 331X und IPS71XX) oder eine Strombegrenzung (IPS60xx und IPS70xx). Im Falle eines Strom-Shutdowns wird der Baustein abgeschaltet, sobald die Grenze für Isd (mithilfe eines externen Widerstands einstellbar) überschritten wird. Im Falle der Strombegrenzung ist der Strom, indem der MOSFET im Linearbereich betrieben wird, begrenzt und wird solange aufrechterhalten bis der Schutz gegen Übertemperatur aktiviert ist. Im Falle eines zu hohen Stroms ist die Genauigkeit, wann der Baustein abschaltet, deutlich besser als bei konventionellen Sicherungen (keine Temperaturabhängigkeit). Die IPS-Bausteine sind mit Diagnosefunktionen ausgestattet. Eine digitale Diagnose (IPS60XX und IPS70xx) oder eine Strommes- sung (IR331X und IPS71XX) liefert eine Statusrückmeldung über Kurzschlüsse, Übertemperatur und die Erkennung einer eventuell fehlenden Last (open load detection). Der Entwickler hat die Möglichkeit, den Fehler sofort zu erkennen und die richtige Aktion durchzuführen. Im Gegensatz zu Sicherungen ist es in Applikationen mit Einschaltstromstößen möglich, dem IPS-Bausteine eine genaue Reaktion vorzugeben. Die IPS-Bausteine sind aber noch mit anderen interessanten Funktionen ausgestattet: Eine Erkennung von Masseverlust, um den Baustein zwingend abzuschalten und damit zu verhindern, dass der Leistungs-MOSFET im Linearmodus läuft und ein Verpolungsschutz, bei der der MOSFET angeschaltet wird, um die Verlustleistung bei Verpolung zu reduzieren. Das»active clamping«ist ebenfalls in allen IPS-Bausteinen integriert, weil beim Abschalten einer induktiven Last noch weitere Betrachtungen gemacht werden müssen. Mit»Active clamping«lässt sich die Spannung über dem MOSFET auf einen Wert unterhalb der Durchbruchspannung der Body-Diode begrenzen, um die Verlustleistung beim Schalten des Bausteins zu reduzieren. Die Drain- Source-Spannung (V DS ) des MOSFETs wird durch den Betrieb im Linearbereich gesteuert.»active clamping«ist das effektivste Mittel, um die Energie, die in der Spule gespeichert ist, zu verbrauchen. Der Entwickler kommt in den Genuss aller Möglichkeiten eines High-Side-IPS, wenn er ihn als Kombination aus Sicherung und Halbleiterleistungsschalter nutzt. Die Hauptvorteile von intelligenten Leistungsschaltern im Vergleich zu Polyswitch-Sicherungen noch einmal zusammengefasst: eine geringere Temperaturabhängigkeit, eine bessere Handhabung von höheren Temperaturen, schnellere Reaktion auf Kurzschlüsse, schaltbar, schnellerer Reset möglich und Strombegrenzung. International Rectifier verfügt über ein großes Portfolio an qualitativ hochwertigen und zuverlässigen High-Side IPS-Bausteinen, die Sicherungen ersetzen können. (st) 27

28 Silica Power-Experten Maxim Integrated Hocheffiziente synchrone Abwärtswandler Mit den Max17501/Max Bausteinen von Maxim Integrated lässt sich die Stromversorgung einer Applikation auf kleinster Leiterplattenfläche realisieren. Die Bausteine können aber auch als Konstantstromquelle für LEDs genutzt werden. Von Kévin Guehenneux * * Kévin Guehenneux ist Field Application Engineer bei Silica/Frankreich Überblick über die MAX17501/MAX17502-Bausteine Die Bausteine Der Max17501/ Max17502 ist ein DC/DC- Controller mit weitem Eingangsbereich, der auf einer synchronen Buck-Topologie basiert. Die Komponenten stehen in einer 0,5-A- und einer 1-A-Version mit einem festen Ausgangswert von 3,3 V oder 5 V oder einer einstellbaren Ausgangsspannung zur Verfügung. Bei den Bausteinen ist es außerdem möglich, zwischen einer Schaltfrequenz von 300 khz und 600 khz zu wählen, für kleine Lasten gibt es einen PFM-Modus, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Alle Versionen sind Pin-kompatibel. Auf dem Chip sind diverse Funktionen wie Soft-Start, Enable-Pin, Unterspannungs- Lockout und ein Power-Good-Ausgang implementiert. Es ist deshalb möglich, mehrere Bausteine miteinander zu verbinden und damit einen Sequenzierer gleich mit zu realisieren. Für die Version mit festem Ausgang sind nur noch vier Kondensatoren und eine Spule für den Betrieb notwendig. Damit kann der Entwickler eine Stromversorgung auf einer Fläche von 2 x 2 cm 2 implementieren (aufgeteilt auf das 3 x 2 mm 2 große DFN-Gehäuse, die vier SMD-Keramikkondensatoren und die Kupferfläche für thermische Zwecke). Der höchste Wirkungsgrad liegt bei über 90 Prozent. Quelle: Maxim Integrated Die Vorteile Der Chip stellt zwei getrennte Masseanschlüsse zur Verfügung, einer für den Strom und einer für kleine Signale. Dadurch ist ein Layout möglich, bei dem klar zwischen Masseflächen für hohe und niedrige Ströme unterschieden werden kann, so dass die Regelgenauigkeit verbessert wird. Dank der Topologie eines synchronen Abwärtswandlers mit internem MOS wird viel weniger Platz benötigt. Hier hilft auch die Tatsache, dass nur wenige externe Komponenten notwendig sind. Die Applikation Dank des 60-V-Eingangs kann der Max17501/ Max17502 in Avionic- (28 V), Telecom- (48 V) und industriellen (12/24 V) Applikation oder als Nachregler in einer Wechselstromversorgung zum Einsatz kommen. Die Komponenten können Eingangsimpulse von bis zu 70 V aushalten. Mit einem maximalen Strom von 500 ma /1 A kann der Abwärtswandler eine MCU mit TFT-Display samt Backlight versorgen und einige Relais treiben. LED-Management Den Max oder Max17502-Baustein in eine Buck-Konstantstromquelle für LEDs zu verwandeln, ist einfach. Die Version mit einstellbarer Ausgangsspannung ist mit einer Feedback-Referenzspannung von 0,9 V ausgestattet. Für einen höheren Wirkungsgrad kann der Entwickler diese Spannung vielleicht verringern wollen. Hierzu kann er den internen LDO-Ausgang von 5 V verwenden, um darüber einen kleinen Strom-Spannungs- Offset auf dem Feedback-Pin zu realisieren. Damit kann der Entwickler eine LED-Referenzspannung von nur noch 100 mv generieren. Dazu sind nur drei Widerstände notwendig. Der erste zwischen LED und Masse, der zweite zwischen LED und Feedback und der Dritte zwischen Feedback und Vcc. Mit dieser Anordnung kann der Entwickler einen DC- Offset auf dem Feedback-Pin erreichen und den LED-Strom absenken, was wegen der 0,9 V Schwellspannung notwendig ist. (st) 28

29 ON Semiconductor Mehr Möglichkeiten, kleinerer Platzbedarf ON Semiconductor (1999 aus Motorola ausgegliedert) bietet immer mehr differenzierte Produkte an, deren Entwicklung sich an den Systemanforderungen der Kunden orientiert. Speziell wenn es um kleine Gehäuse geht, hat ON Semiconductor die Nase vorn. Das kommt vor allem der Automotive-Industrie zugute, denn hier sind die Anforderungen der elektrischen Applikation umgekehrt proportional zur Gehäusegröße und dem Preis der Komponenten. Von Uli Hoss * * Uli Hoss ist Field Application Engineer bei Silica, Deutschland. Lineare Spannungsregler werden gewöhnlich dazu verwendet, um höhere Spannungen in niedrigere zu wandeln (zum Beispiel um 5,0 V in 3 V zu wandeln). Linearregler sind einfach in der Anwendung und benötigen nicht viel Platz auf dem Applikations-Board. Sie zeichnen sich außerdem dadurch aus, dass sie den Ripple auf dem Eingangssignal gut ausfiltern können und das Ausgangssignal durch kein zusätzliches Rauschen verschlechtern. Nachteilig ist, dass Linearregler sehr ineffizient sind. Der Spannungsabfall im Regler hat zur Folge, dass viel Energie in Form von Hitze vergeudet wird. Schaltregler sind im Vergleich dazu viel energieeffizienter und reduzieren somit die Wärmeentwicklung und die Energieverluste deutlich. Nachteilig dabei ist aber, dass sie durch das Schalten das Ausgangssignal verrauschen können. Darüber hinaus sind sie im Vergleich zu Linearreglern deutlich komplizierter in der Anwendung, und sie benötigen zusätzlich eine Vielzahl von externen Komponenten (zum Beispiel Spulen), was viel Platz auf der Leiterplatte verbrauchen kann. Die NCV8901xx/02xx-Familie umgeht das Problem mit großen externen Spulen, denn die Bausteine schalten mit hohen Frequenzen. Damit sind auf der Leiterplatte nur sehr kleine externe Spulen und Widerstände notwendig, so dass sich die Gesamtkosten reduzieren lassen. Durch das Schalten mit hohen Frequenzen ist das Ausgangssignal auch weniger verrauscht. Somit erhalten die Entwickler, die die NCV8901xx/02xx-Bausteine einsetzen, die hohe Energieeffizienz von Schaltreglern, allerdings ohne dabei die Nachteile von Schaltreglern in Kauf nehmen zu müssen. Die Bausteine sind vollständig gemäß allen wichtigen Automotive-Standards qualifiziert. Die NCV890100/0101/0201-Familie von hochfrequenten Abwärtsreglern stellt somit die beste Lösung für platzbeschränkte Automotive-Anwendungen dar. Die Bausteine sitzen in kompakten Gehäusen. Doch nicht nur die Gehäuse sind klein, sondern dank der hohen Schaltfrequenz (2 MHz) lässt sich zusätzlich Platz auf der Leiterplatte einsparen. Darüber hinaus sind die Bausteine einstellbar, so dass sie die perfekte Wahl darstellen, wenn Linearregler in Unter-2A-Stromversorgungen ersetzt werden sollen. Je nach gewünschter Leistung stehen die Bausteine in einem DFN8- oder einem DFN10-Gehäuse (3 x 3 mm) zur Verfügung. Typische Vertreter der Serie sind die NCV- 8901xx/02xx-Bausteine, die mit einer Schaltfrequenz von 2 MHz arbeiten. Damit liegt die Frequenz, wie bereits erwähnt, oberhalb des AM-Bands und vereinfacht damit das Design, weil die Schaltfrequenz nicht dynamisch angepasst werden muss. Die hohe Schaltfrequenz ermöglicht kleinere Systemgrößen, weil kleinere Spulen und Ausgangskondensatoren für die gleiche Ausgangsleistung genutzt werden können. Hinzu kommt, dass die kleineren Spulen billiger sind, wodurch die Gesamtkosten sinken. Allerdings muss hinzugefügt werden, dass die Effizienz mit hohen Schaltfrequenzen deutlich schlechter ausfällt als mit niedrigen Frequenzen. ON Semiconductor stellt dem Entwickler den entsprechenden Support in Form von Simulationsmodellen (Transient/Small-Signal Pspice, Transient/Small-signal VHDL-AMS Modell), Berechnungstabellen und Demonstratoren zur Verfügung. (st) 29

30 Silica Power-Experten Microchip Technology Das Design digitaler Kompensatoren Während die voll-digitale Regelung getakteter Leistungswandler (SMPS: Switch-Mode Power Supplies) vor einigen Jahren nur sehr langsam Fuß fasste und auf spezielle High-End-Anwendungen beschränkt war, weitet sich diese Technologie jetzt über alle Industriebereiche aus und nimmt weiter Fahrt auf. Die mittlerweile erwiesenen Vorteile bei Effizienz, Stabilität, Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit treffen auf breite Akzeptanz. Microchip Technology bietet spezielle SMPS-Filter-Routinen an, die über Strukturen konfiguriert und per Funktionsaufruf angewandt werden können. Einer dieser Filter ist der hier vorgestellte so genannte 3P2Z-Regler, der für Voltage Mode Control oder äußere Regleschleifen in Current Mode Controllern eingesetzt wird. Hierbei handelt es sich um die digitale Variante eines analogen Typ-III-Kompensators. Die Übertragungsfunktion des Typ-III-Kompensationsnetzwerks (A) wurde in die Zeit-Ebene transformiert, um die lineare Differenzgleichung des digitalen Filters (B) zu erhalten. (A) s-ebenen-gleichung der Übertragungsfunktion eines Typ-III-Kompensationsnetzwerks Von Piero Mocca * Markttreibende Faktoren sind hier vor allem verschärfte Anforderungen im Server- oder Automobilmarkt und neue Marktsegmente wie Leistungswandler für die Elektrifizierung von Fahrzeugen. Die Microchip dspic33 GS DSC Architektur (B) Lineare Differenzgleichung der Übertragungsfunktion in der Zeit- Ebene mit Hierbei handelt es sich um einen 16-Bit-Controller mit integriertem Festkomma-DSP-Kern und spezieller Peripherie. Die Mikrocontrollereinheit (MCU) ist mit zwei 40-Bit breiten Akkumulatoren ausgestattet, in denen die benötigte Genauigkeit der Kompensationsfilter-Berechnung erreicht wird. Das PWM-Modul besteht aus einzelnen PWM- Generatoren mit eigenständigen Zeitbasen, die nach Belieben miteinander synchronisiert und in ihrer Phase verschoben werden können. Die Zeitbasen unterstützen fest-frequenten wie auch resonanten und quasi-resonanten Betrieb. Die Auflösung dieses Moduls liegt mit bis zu 1 ns in einem Bereich, in dem Wandler mit bis zu 1 MHz Schaltfrequenz unterstützt werden können. Die Port-Steuerung des PWM- Moduls erlaubt zusätzliche Einstellungen von positiven und negativen Totzeiten sowie die asynchrone Verarbeitung von externen Trigger- Signalen. Müssen bestimmte, einstellbare Grenzwerte berücksichtigt werden, stehen bis zu vier analoge Komparatoren mit 15 ns Propagation Delay und integriertem DAC zur Verfügung. * Piero Mocca ist Field Application Engineer bei Silica/Italien mit u x = Controller Ausgabe, e x = Messfehler A x = Filter-Koeffizienten, die mit Controller-Ausgaben multipliziert werden, B x = Filter Koeffizienten, die mit Messfehlern multipliziert werden. T s repräsentiert die Messperiode. Die Omegas repräsentieren die Frequenzen der jeweiligen Pol- und Nullstellen des Kompensators. Nachdem die Messperiode bekannt ist, beschränkt sich bei diesem Controller alles auf die korrekte Platzierung von Pol- und Nullstellen. Wurden diese an den Pol- und Nullstellen des Leistungsfilters ausgerichtet, helfen einfache Werkzeuge wie Excel-basierende Arbeitsblätter dabei die Koeffizienten zu berechnen. 30

31 Platzierung von Pol- und Nullstellen eines digitalen 3P2Z Reglers Die Grafik zeigt vergleichend die Frequenzcharakteristik des Wandlers in Open- und Closed-Loop Betrieb, sowie die Charakteristik des Kompensators. Verstärkung und Phasengang des Kompensators sind nun so einzustellen, dass Verstärkung und Phase des Open-Loop Betriebs auf die des Closed-Loop Betriebs angehoben bzw. abgesenkt werden. Der Open-Loop Verstärkungs-/Phasengang des Leistungsfilters kann aus der Übertragungsfunktion des Leistungsfilters abgeleitet werden. Hierzu werden i.d.r. umfangreiche Werkzeuge wie MATHLAB und Simulink verwendet, um die Topologie mit allen relevanten parasitären Effekten, Bauteiltoleranzen und in allen Betriebsmodi zu simulieren. Solche Entwicklungswerkzeuge sind jedoch teuer und umfangreich und erfordern Erfahrung und Routine in ihrer Anwendung. Vielen Designern stehen diese daher nicht zur Verfügung. Im folgenden Abschnitt wird deshalb eine Methode vorgestellt, die die Anwendung leistungsfähiger Kompensationsfilter auch ohne komplexe Werkzeuge möglich macht. Der im Folgenden verwendete Abwärtswandler unterstützt Eingangsspannungen von 6 bis 20 V und liefert eine konstante Ausgangsspannung von 3,3 V bei max. Ausgangsströmen von bis zu 8 A (L = 3,3 µh, DCR = 28 mω, C OUT = 220 µf/10 V, ESR = 40 mω, f SW = 330 khz mit zyklischer Regelung). Legt man klassische Design-Regeln für diesen Wandlertyp zugrunde, lassen sich mit recht einfachen Berechnungen die Frequenzen aller Nullstellen sowie der zweiten und dritten Polstelle bestimmen. Die erste Polstelle wird später manuell verschoben, um die Eigenschaften des Wandlers einzustellen. Zunächst wird die dritte Polstelle (Hochfrequenz- oder Nyquist-Polstelle) bei halber Regelfrequenz festgelegt. Die zweite Polstelle wird an der sog. ESR-Frequenz platziert. Diese errechnet sich aus Äquivalentwiderstand ESR und der Kapazität des Ausgangskondensators. Die beiden Nullstellen werden nahe der Resonanzfrequenz des Leistungsfilters platziert. Diese wird wie folgt berechnet: Bei der Platzierung der Nullstellen nahe der Resonanzfrequenz kommt nun die erste Daumenregel zum Einsatz. Das bedeutet, dass die Platzierung dieser beiden Nullstellen später Gegenstand der Optimierung sein kann. Als Startwert wird die erste Nullstelle 15% unterhalb der Resonanzfrequenz, die zweite ca. 10% oberhalb platziert. Verbleibt nur noch die erste Polstelle. Diese ist ein wesentlicher Tuning- Parameter und hat großen Einfluss auf die Verstärkung und damit auch auf die Phasenreserve und somit die Stabilität des Wandlers. Um den Wandler das erste Mal sicher zu starten, empfiehlt es sich, diese Polstelle bei ca. 1/10 bis 1/20 der Resonanzfrequenz zu setzen. Nachdem nun alle Omegas bekannt sind, können die Koeffizienten berechnet werden. Um diese Zahlenwerte nun im Q15 Festkomma-DSP verarbeiten zu können, müssen diese vorher normalisiert werden. Bei den gegebenen Zahlen reicht ein einfacher Bit-Shift um 1 nach rechts aus, um die Zahlenwerte in den gewünschten Zahlenraum zu überführen. Dieser Schritt muss nach der Berechnung wieder rückgängig gemacht werden: A1Q15 = 0,594567; A2Q15 = 0,088026; A3Q15 = 0,182593; B0Q15 = 0,101488; B1Q15 = 0,080405; B2Q15 = 0,100409; B3Q15 = 0,081484; Eine einfache I 2 C-basierende Software-Anwendung bestimmt nun die Start-Koeffizienten auf der Basis der wichtigsten Eck-Parameter der Topologie wie oben beschrieben. Die Daten werden mit Hilfe des Microchip PICkit Serial Analyzer USB-2-I 2 C Interfaces in das Zielgerät geladen. Das Messergebnis wird mit einem OMICRON LAB Bode 100 Netzwerkanalysator ermittelt. Als erstes Ergebnis erhalten wir einen Plot eines bereits stabilen Wandlers mit 35 db Verstärkung bei 50 Hz, 72 Grad Phasenreserve und 22 db Verstärkungsreserve. Die erste Polstelle wird nun so lange verschoben, bis das gewünschte Verhalten erzielt wird. Als allgemeines Ziel dieses Tuning-Prozesses sollte die Steigung der Verstärkung unterhalb der Resonanzfrequenz bei 20 db/ Dekade liegen und dabei eine Phasenreserve von mindestens 45 Grad nicht unterschritten werden. Resümee Vergleich zwischen Plant, Kompensations- und Closed-Loop Plot Quelle: Microchip Obwohl ein wissenschaftlicherer Ansatz unter Verwendung leistungsfähiger Werkzeuge wie MATHLAB zu bevorzugen ist, wenn in kurzer Zeit ein optimales Ergebnis erzielt werden soll, bietet die manuelle Einstellung dieser Regler doch die Möglichkeit, die Anforderungen der meisten Anwendungen ohne großen Aufwand zu erfüllen. Multi-Pol-/ Multi-Nullstellen-Regler sind perfekt geeignet, Design-Kompromisse für Performance, Stabilität und Rauschen in Minuten zu finden, und beschleunigen so Entwicklungs- und Migrationsprozesse um kundenspezifische Anforderungen schnell und zuverlässig zu erfüllen. (st) 31

32 Silica Power-Experten NXP Semiconductors SMPS-ICs reduzieren die Standby-Leistung und erhöhen den Wirkungsgrad Wenn es um Netzteile für Leistungen zwischen 5 und 10 W geht, dann sind folgende Zielvorgaben zu beachten: Sie müssen kleine Abmessungen aufweisen und sich durch einen erhöhten Wirkungsgrad und eine verringerte Standby-Leistungsaufnahme auszeichnen, und das alles zu vernünftigen Kosten. Von Andreas Schugens * NXP Semiconductors hat Lösungen, die diesen Ansprüchen gerecht werden. Und so sehen die Details aus: Der TEA172x ist ein Low-Power SMPS-Controller aus der GreenChip-Familie von NXP Semiconductors. Der Schaltnetz-Controller ist mit einem 700-V-Hochvolt-MOSFET ausgestattet und kommt auf eine Leistung von bis zu 11 W. Die Controller sind für Flyback- (Sperrwandler), Buck- und Buck-Boost- Wandlertopologien optimiert. Dies führt zu einem hohen Wirkungsgrad. Die Bausteine starten direkt von der gleichgerichteten Netzspannung, ohne dass externe Bleeder-Schaltungen notwendig wären. Die implementierte Soft-Start-Funktion reduziert den Einschaltstrom, und der integrierte Oszillator führt abermals zu reduzierten Materialkosten. Die Schaltfrequenz unter Lastbedingung variiert zwischen 22 und 51,5 khz, so dass hör- bares Brummen vermieden wird. Die Abtastung der Ausgangsspannung erfolgt primärseitig mit einem Transformator, wodurch stromverbrauchende Optokoppler und Shunt- Regler auf der Sekundärseite überflüssig werden. Auch dies führt dazu, dass das Design kosteneffektiver zu realisieren ist. Die implementierte Jitter-Funktion reduziert die elektromagnetische Störausstrahlung (EMI), und die Architektur erfüllt die EMI-Spezifikationen ohne externen Y-Kondensator. Die fortschrittlichen Regelmodi für eine optimale Performance führen zu einem hohen durchschnittlichen Wirkungsgrad von über 77 Prozent über den gesamten Lastbereich, wobei die Bausteine auch eine sehr niedrige Leistungsaufnahme zulassen, wenn keine Last anliegt. Die Komponenten entsprechen den Spezifikationen von USB Battery Charging (CC/CV) und Energy Star 2.0 und eignen sich somit hervorragend für Adapter, die im Standby-Modus eine Leistungsaufnahme von unter 10 mw aufweisen sollen. Bild 1: Ein Beispiel für einen grundlegenden Applikationsaufbau Quelle: NXP Semiconductors * Andreas Schugens ist Field Application Engineer bei Silica/ Deutschland 32

33 Bild 2: Überblick über die verschiedenen Betriebs-Modi CVB: Constant Voltage Burst Mode mit Energiesparfunktion CVC: Constant Voltage Mode mit Stromregelung CP: Constant Power CVF: Constant Voltage Mode mit Frequenzregelung CCF: Constant Current Mode mit Frequenzregelung CCC: Constant Current Mode mit Stromregelung Quelle: NXP Semiconductors Betriebs-Modi Der Wandler arbeitet als geregelte Spannungsquelle im Bereich von keiner Last bis zum maximalen Ausgangsstrom. Als Stromquelle liefert er den maximalen Strom über einen großen Ausgangsspannungsbereich. Bild 2 zeigt das Verhalten des Wandlers, wenn die Last von Null ansteigt. Implementierte Schutzvorkehrungen Die in den Bausteinen implementierten Schutzfunktionen variieren leicht von Derivat zu Derivat, so dass Details besser aus dem Datenblatt zu entnehmen sind. Aber hier ein kurzer Überblick: Überspannungsschutz (OVP) mit automatischer Restart-Funktion Unterspannungs-Lockout (UVLO) und Clamp-Protection Schutz gegen zu hohe Temperaturen (OTP) Die Soft-Start-Funktion reduziert den Spitzenstrom bei keiner und niedriger Ausgangsspannung Schutz gegen Entmagnetisierung für einen garantierten diskontinuierlichen Betrieb im Conduction Mode Schutz gegen offene Schaltungen und Kurzschluss am Feedback-Control-Pin (FB) Schutz gegen Kurzschluss am Lade-Ausgang Sicherer Neustart-Modus für den Fehlerzustand des Systems Gehäuse und Prozess Die Derivate der TEA172x-Familie stehen im Industriestandard-Gehäuse SO7 zur Verfügung, sie sind RoHS-konform und halogenfrei. Zur Fertigung der Bausteine werden die hochdichten ABCD3- und EZ-HV-Prozesse von NXP genutzt. Bei beiden Prozessen handelt es sich um SOI-Prozesse (Silicon on Insulator), die unter anderem auch für die Automotive-Industrie genutzt werden. Vorteilhaft an den SOI-Prozessen sind die sehr schnellen Schutzschaltungen, die Unempfindlichkeit gegenüber Latch-up-Effekten, die geringere Temperaturabhängigkeit im Vergleich zu konventionellen Fertigungsprozessen und die geringen internen Signalinterferenzen. Design Tools und Demo-Boards Für die TEA172x-Familie stehen diverse Design-Tools zur Verfügung, einschließlich einer ganzen Reihe von Demo-Boards für: 5 W isolierte Flyback-Stromversorgung mit zwei Ausgängen (12 und 3,3 V) 2,5 W nicht-isolierte Buck-Boost-Stromversorgung mit einem Ausgang (12 oder 12 V) 2,5 W nicht-isolierte Buck-Stromversorgung mit einem Ausgang (12 V) 5 W isolierte 3-Phasen-Flyback-Stromversorgung mit drei Ausgängen (24, 5 und 3,3 V) Wenn ein Entwickler bevorzugt, mit einem Online-Design anzufangen, um seine eigenen Spezifikationen zu verifizieren, kann er das einfach tun, denn das NXP Flyback SMPS Design Tool unterstützt die TEA1721-, TEA1723-, TEA1733- und TEA1738-Familien und bietet einen schrittweise Anleitung. Das Tool ist so aufgebaut, dass alle Design- Parameter, Ergebnisse und Graphiken automatisch in ein Excel-Sheet für die Nachbearbeitung exportiert werden. Sobald das Design abgeschlossen ist, erhält der Entwickler einen Überblick, einschließlich der Zusammenfassung der berechneten Design-Parameter, eines Bildes zu den Vorschlägen der Transformatorwicklung, detaillierte Schaltpläne und Kurvenverläufe. Applikationsberichte und das Design-Tool sind unter design-portal/tea1733.html zu finden. Zusammenfassung und Ausblick Wenn ein Entwickler seine eigene Stromversorgung realisieren will, dann sind die Produkte von NXP eine exzellente Wahl. Für den Leistungsbereich von 5 bis 10 W passt die TEA172x-Serie, die hier kurz beschrieben wurde, am besten. Für höhere Leistungen eignen sich die TEA1731- (mittlerer Leistungsbereich) und die TEA1716-Bausteine (hoher Leistungsbereich). Die verfügbaren Tools und Dokumentationen helfen dem Entwickler dabei, eine Stromversorgung so schnell und so einfach wie möglich zu realisieren und somit die Welt der Stromversorgungen»grüner«zu machen. (st) 33

34 Silica Power-Experten Renesas Electronics RJx60 Super Junction MOSFETs Die Nachfrage nach geringeren Leistungsverlusten und höheren Schaltgeschwindigkeiten führt dazu, dass eine neue Bausteintopologie in den Blickpunkt des Interesses rutscht: die Superjunction-MOSFETs (SJ). Von Andrea Cappa * Superjunction-MOSFETs können sowohl einen sehr niedrigen Leitungswiderstand (RDSon) als auch Spannungstoleranzen von über 400 V erreichen. Superjunction-MOSFETs werden mittlerweile weitgehend als neuer Benchmark für diese Klasse an Halbleiterschaltern in der Industrie betrachtet. Die Planar-Struktur von konventionellen Leistungs-MOSFETs erfordert einen Kompromiss zwischen niedrigem Leitungswiderstand, niedriger Gate-Ladung (Q GD ) und dem Hochvolt-Rating. SJ-MOSFETs werden typischerweise so produziert, dass auf einem N+-Substrat mehrere P-leitende Schichten innerhalb eines schwach dotierten N-Materials aufgebracht werden. Mithilfe mehrerer Epitaxie- Schritte wird Schicht für Schicht aufgewachsen, wodurch die gesamte Schichtdicke so lange vergrößert wird, bis sie die geforderte Spannungstoleranz erreicht. Nachteilig daran ist, dass ein epitaktisches Aufwachsen von Strukturen sehr langsam abläuft und auch noch kompliziert in der Fertigung ist, so dass es schwierig ist, die Produktivität zu erhöhen oder die Kosten zu senken. Um diese inhärenten Probleme eines epitaktischen Aufwachsens von mehreren Schichten zu umgehen, haben die Entwickler bei Renesas eine proprietäre Superjunction-Struktur mit einer Deep-Trench-Technik entwickelt. Diese Technologie beinhaltete geätzte Gräben (Trenches) im schwach dotierten N-leitenden * Andrea Cappa ist Field Application Engineer bei Silica/Italien Material, um die P-leitenden Regionen zu bilden (siehe Bild 1, rechts). Bei dieser Methode werden die Masken hochgenau ausgerichtet und Störstellen eingebracht, um den Produktionsprozess zu vereinfachen und somit den Durchsatz zu erhöhen und die Kosten zu senken. Obendrein hat das erfolgreiche R&D- Programm um die Deep-Trench-Technik zu einer Miniaturisierung der P-leitenden Schichten geführt. Dieser Ansatz von Renesas hat nicht nur wirtschaftliche Vorteile, sondern damit ist es auch möglich, einen extrem niedrigen Leitungswiderstand (RDSon) und verringerte interne Kapazitäten zu realisieren. Dadurch stellen die SJ-MOSFETs von Renesas eine exzellente Wahl speziell für Inverter-basierende Haushaltsgeräte dar. Die RJx60-Leistungs-MOSFETs von Renesas mit SJ-Stuktur basieren auf einer Deep- Trench-Technologie und weisen ein Spannungs-Rating von 600 V auf. Sie zeichnen sich durch den industrieweit geringsten Leitungswiderstand und höchste Schaltgeschwindigkeit aus. Die RJx60-Familie steht in zwei unterschiedlichen Serien zur Verfügung: Die RJK60Sx-Serie von Renesas eignet sich hervorragend für sehr effiziente Stromversorgungen und bietet einen extrem niedrigen RDSon und geringe Gate-Ladungen (QGD) mit einem maximalen ID-Strom von bis zu 55 A bei 25 C. Die RJL60Sx-Serie von Renesas eignet sich besonders gut für Motor- und Inverter-Anwendungen und bietet einen niedrigen RDSon und eine Fast Recovery Body Diode (niedrige Sperrerholungszeit trr, niedrige Sperrladung QRR). Die ICs gibt es heute mit max. ID-Strömen von C. Ein Beispiel aus dieser Familie ist der RJK605S- DPK. Er kann eine Drain-Source-Spannung (VDSS) von 600 V und einen andauernden Drain-Strom (ID) von bis zu 20 A bei 25 C bzw. 1,26 A bei 100 C aushalten. Der RDSon ist mit 150 mohm (typ. Wert bei ID = 10 A, VDSS = 10 V) spezifiziert und liegt damit um rund 52 Prozent unter dem Wert von konventionell strukturierten Bausteinen. Dadurch können die Entwickler von Stromversorgungen Systeme realisieren, in denen die Energieverluste durch die Wandlung deutlich reduziert sind. Die Gate-Drain-Ladung (QGD) beträgt typischerweise nur 6 nc (@ ID = 10 A, VDSS = 10 V), also rund 80 Prozent weniger als bei konventionellen MOSFETs, wodurch sich sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten erreichen lassen. Um eine Aufrüstung bestehender Stromversorgungen zu erleichtern, haben die RJx60- Power-SJ-MOSFETs die gleiche äußerliche Form wie viele konventionelle Standard-Gehäuse (z.b. TO-3P, TO-247, TO-220). Sie weisen außerdem die standardmäßige Pin-Platzierung auf, so dass die Bausteine genau in die Boards von bestehenden Schaltnetzteilen passen. Dennoch fällt ihr Leitungswiderstand pro Einheitsfläche im Vergleich zu den traditionellen Planar-MOSFETs von Renesas um 80 Prozent niedriger aus, wodurch für den gleichen Leitungswiderstand RDSon eine deutlich kleinere Chipoberfläche notwendig ist. Das wiederum führt dazu, dass ein Stromversorgungs-Design, das bisher ein TO-3P benötigt hat, jetzt mit einem kleineren Gehäuse wie z.b. einem TO-220FL realisiert werden kann. Die Technologie-Roadmap von Renesas Electronics sieht zukünftige SJ-Leistungs-MOS- FETs mit verschieden großem On-Resistance sowie Bausteine mit Spannungen von bis zu 900 V vor. Um den Kunden möglichst viele Design-Optionen zu eröffnen, plant Renesas, seine Familie von Hochvolt-Leistungs-MOS- FETs mit extrem niedrigem Leitungswiderstand mit diversen Serien mit insgesamt rund 100 verschiedenen Typen auszubauen. (st) 34

35 STMicroelectronics VIPER06 in einer nicht-isolierten AC/DC-Buck-Konfiguration Offline-Equipment wie Weiße Ware, Smart Meter oder Leistungsmessgeräte ist typischerweise mit Elektronik ausgestattet, die eine nicht-isolierte Gleichstromleistung von unter 5 bis 6 W brauchen bzw. nutzen kann. Dank neuer Anwendungen wie LEDs, in denen die Isolation bereits durch die Kapselung gegeben ist, gewinnen nicht-isolierte Buck- Wandler durch niedrige Kosten und einfaches Designs an Popularität. Von Fredrik Johansson * * Fredrik Johansson ist Field Application Engineer bei Silica/Schweden VIPER06 von STMicroelectronics sind AC/DC-Wandler mit einem 800-V- MOSFET, die eine kostengünstige AC/ DC-Wandlung ermöglichen und dank des 800-V-MOSFETs auch noch deutlich robuster sind. Der Buck-Wandler Dieser Applikationsbericht beschreibt eine nicht-isolierte Abwärtswandlertopologie auf Basis des VIPer06XS-Bausteins, der eine Ausgangsspannung von 12 V bei bis zu 100 ma erzeugt. Die Ausgangsspannung kann durch Änderung des R1-Widerstands, dem Widerstandsteiler am Ausgang und dem Kompensations-RC-Glied verändert werden. Die Schaltung wird mit der 230-V-Netzspannung gespeist, kann aber auch mit 85 bis 265 V Wechselstrom oder 100 bis 375 V Gleichstrom laufen. Mit dem R0-Widerstand lassen sich größere differentielle Einschaltstromstöße überstehen. Um den Anforderungen bezüglich der elektromagnetischen Interferenzen gerecht zu werden, bilden CIN1, L0 und CIN2 ein Eingangs-Pi-Filter. Der Drain des 800-V-MOSFETs und die integrierte Hochspannungs-Startup-Schaltung sind mit einem der Drain-Pins verbunden. Sobald der Baustein läuft, ist er in der Lage, direkt mit der gleichgerichteten Netzspannung ohne Hilfswicklung versorgt zu werden. Für einen höheren Wirkungsgrad und eine niedri- Eigenschaften von VIPER V-MOSFET mit hoher Avalanche-Festigkeit PWM-Schaltregler mit Frequenz-Jittering für geringe elektromagnetische Interferenzen Betriebsfrequenz: 30 khz für VIPER06Xx; 60 khz für VIPER06Lx, 115 khz für VIPER06Hx Hilfswicklungen sind überflüssig die Leistungsaufnahme im Standby-Betrieb liegt unter 30 mw bei 265 V die Strombegrenzung ist einstellbar Soft-Start-Funktion sichere Auto-Restart-Funktion nach Erkennen eines Fehlers Übertemperaturschutz mit Hysterese geringer Ausgangs-Ripple dank PWM-Betrieb gere Leistungsaufnahme im Standby-Modus wurde eine Diode, Dvdd, am Ausgang des Vdd- Pins eingebaut. Der Vdd-Pin liefert den Ladestrom für den externen Kondensator während des Anschaltens und wenn er über die interne Stromversorgung läuft. Über den LIM-Pin kann die Drain-Strombegrenzung gesetzt werden. Wird zwischen den LIM-Pin und der Masse ein externer Widerstand gelegt, lässt sich der Grenzwert reduzieren. Der Limit-Pin wird offen gelassen, wenn die vorgegebene Drain-Stromgrenze genutzt wird. Der FB-Pin (Feedback-Pin) stellt den invertierenden Eingang des internen Transkonduktanz-Fehlerverstärkers dar. Wenn der Wandlerausgang mit diesem Pin über einen einzigen Widerstand verbunden wird, führt dies zu einer Ausgangsspannung, die zur Verstärkerreferenzspannung oder 3,3 V gleich ist. Über den externen Widerstandsteiler, R1 und R2, wird die Ausgangsspannung festgelegt. Der Comp- Pin stellt den Ausgang des Transkonduktanz- Verstärkers dar. Das Kompensationsnetz muss zwischen diesen Pin und Masse gesetzt werden, damit die Spannungsregelschleife eine gute Stabilität und dynamisches Verhalten erreicht. Der lineare Spannungsbereich reicht von VCOMPL bis VCOMPH. Nach dem Anschalten liefert der MOSFET Energie in die Spule L. Sobald der VIPer06XS abschaltet, fließt die in der Spule L gespeicherte Energie in die gleiche Richtung durch die Diode D und lädt Cout und den Ausgang auf. D2 lädt C4 und wird auf 3,3 V heruntergeteilt, die wiederum in den Feedback-Pin gehen und den Ausgang geregelt halten. Design-Tips Nachdem die Theorie von Abwärtswandlern gut bekannt ist, reicht es in den meisten Fällen aus, ein Design-Tool zu verwenden. Das edesignsuite-tool von STMicroelectronics erzeugt die Schaltpläne, basierend auf den Spezifikationen zum Tastverhältnis, zur Phasenreserve sowie zum Wirkungsgrad und berechnet die Verluste. (st) 39

36 Silica Power-Experten Texas Instruments DC/DC-Wandler der SIMPLE SWITCHER Familie Mit den SIMPLE-SWITCHER-Power- Management-ICs von Texas Instruments stehen Power- Module zur Verfügung, die ein besonders einfaches Design ermöglichen. Das gilt vor allem dann, wenn das Projekt zeitkritisch ist, wenn es sich um störempfindliches Equipment handelt, wenn wenig Platz zur Verfügung steht, wenn hohe thermische Ansprüche zu erfüllen sind oder wenn der Designer kein Spezialist für Stromversorgungen ist. Von Sergio Biancifiori * * Sergio Biancifiori ist Field Application Engineer bei Silica/Italien Die LMZ-Familie von Abwärtswandlern basieren alle auf der gemeinsamen Idee, den Regler und die Induktivität in ein Gehäuse zu setzen, so dass nur noch ein Minimum an externen Komponenten (typischerweise nur noch die Kondensatoren und der Feedback-Widerstand) notwendig ist. Die wichtigsten Eigenschaften und Vorteile der LMZ-Module sehen so aus: geringer Ausgangs-Ripple und geringe elektromagnetische Interferenzen; einfach zu verarbeitendes Gehäuse; hoher Wirkungsgrad; einfacher Design-Prozess, auch dank der verfügbaren WEBENCH-Tools. Darüber hinaus müssen weniger Bauteile beschafft, vorgehalten und montiert werden ein positiver Nebeneffekt. Die Schaltstufe basiert auf einer Halbbrücke mit zwei MOS- FETs, um die Stromdichte und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Die LMZ-Produktpalette umfasst verschiedene Unterfamilien mit verschiedenen Strom- oder Spannungs-Ratings und Gehäusen. Neben diesen klaren Unterscheidungskriterien sind die Bausteine aber auch intern durch andere Funktionen charakterisiert, wodurch sie sich für eine Reihe von Anwendungen eignen. Im Folgenden werden einige dieser Funktionen beschrieben. Überblick über die Simple Switcher Module Quelle: Texas Instruments Schaut man sich die Module von innen an, besteht der größte Unterschied in der Halbbrücken-Stufe: Die Module mit niedrigen Eingangsspannungen (5,5 V) nutzen einen P- Kanal-MOSFET auf der High-Side und einen N-Kanal-MOSFET als synchronen MOSFET. Diese Anordnung vereinfacht die DC/DC-Treiberstufe, macht eine Bootstrap-Schaltung zum Treiben des High-Side-MOSFETs überflüssig und ermöglicht ein Tastverhältnis von 100 Prozent. Module für höhere Spannungen nutzen in beiden Fällen einen N-Kanal-MOS- FET, denn damit sind geringere Leitungsverluste und eine kleinere Die-Größe möglich. Mit Ausnahme der»nano-module«(lmz /LMZ10501) enthalten alle anderen LMZ-Module einen Eingangskondensator zwischen Vin und Masse. Dieser dient der Verbesserung der elektromagnetischen Abstrahlung durch Verkleinerung der kritischen Schleife zwischen Eingangskondensator und Low-Side-Mosfet, wobei natürlich zusätzliche Eingangsfilterkondensatoren notwendig sind, um mit dem Eingangs-Ripple-Strom in der Applikation besser umgehen zu können. Bei den LMZ10500/01 wird die Ausgangsspannung mithilfe eines Spannungsteilers am VCON-Pin eingestellt. Der Pin kann auch extern über einen D/A-Wandler getrieben werden, um die Ausgangsspannung dynamisch zu skalieren. Die Ausgangsspannung ergibt sich aus VOUT = 2,5 x VCON, wobei 2,5 der internen Verstärkung entspricht. Das LMZ1-Portfolio zeichnet sich durch einige Standardfähigkeiten aus, wie Precision enable, Sanftanlauf und höhere Ausgangsspannung (> 6 V) für H-Versionen. Ein Vorteil von Precision enable besteht in seiner Verwendung als Power-Sequencing-Eingang: mithilfe eines einfachen Spannungsteilers kann eine andere Spannungsquelle den Regler einschalten; das Modul wird nur angeschaltet, wenn die Spannung am Enable-Pin die interne Schwellspannung erreicht hat. Die zweite Serie (LMZ2) ist zusätzlich mit einer Frequenzsynchronisation und einer Fähigkeit der Parallelschaltung (Versionen mit höheren Strömen von 8 und 10 A) ausgestattet. 40

37 Die Frequenzsynchronisation ermöglicht Anwendungen, in denen mehrere DC/DC-Wandler mit derselben Frequenz betrieben werden, was die Ausgangswelligkeit verringert; der externe Synchronisationstakt kann für alle Module phasengleich sein, oder phasenverschoben, um den Stress auf die Eingangs- und Ausgangskondensatoren zu reduzieren. Wenn der benötigte Laststrom über dem Rating eines einzelnen Moduls liegt, können die Bausteine einfach parallel geschaltet werden. Dazu werden die SH-Pins von allen Modulen zusammengeführt. Ein Modul sollte als Master konfiguriert werden, indem sein Feedback- Pin ganz normal verbunden wird. Alle anderen Module sollten als Slave konfiguriert werden, indem ihre jeweiligen FB-Pins massefrei bleiben. Mehr Informationen zur Parallelschaltung sind in der Applikationsbeschreibung AN-2093 zu finden. Texas Instruments hat in seinen LMZ-Modulen verschiedene Regelverhalten realisiert. Die Nano-Module LMZ10500/01 nutzen eine Current-Mode-Architektur mit fester Frequenz (2 MHz), so dass dank kleiner Induktivität die Modulgröße klein ausfällt. Die LMZ-Module können auch in einer Buck- Boost-Topologie konfiguriert werden, um aus einer positiven Spannung eine geregelte negative Spannung zu erhalten. Der Vout-Anschluss muss mit Masse verbunden werden. In dieser Inverter-Konfiguration fällt allerdings der maximale Ausgangsstrom, der aus den Modulen zu bekommen ist, im Vergleich zu einer konventionellen Buck-Konfiguration niedriger aus. Die maximale positive Eingangsspannung in der invertierenden Anwendung ist durch die Amplitude der Ausgangsspannung reduziert; folglich beträgt die ma- ximale Eingangsspannung für eine 5V-Ausgangsspannung 37 V. Mit der gesamten LMZ-Familie kann solch eine Konfiguration realisiert werden, solange die Grenzen für die Eingangsspannung und den Ausgangsstrom beachtet werden. In der invertierenden Konfiguration fällt der Wirkungsgrad allerdings ebenfalls geringer aus, so dass höhere Verluste bei einer gegebenen Ausgangsleistung auftreten. In der Applikations-Note AN-2027 sind weitere Details enthalten. Die LMZ-Module sind dank der cleveren Kombination von Eigenschaften immer erfolgreicher. Texas Instruments erweitert das Produktspektrum weiter, um noch mehr Applikationsanforderungen abdecken zu können und die Leistung zu verbessern. (st) ROHM Semiconductor SiC ermöglicht viel höhere Wirkungsgrade Obwohl SiC bereits Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckt wurde, wird die Technologie erst seit zirka 25 Jahren kommerziell genutzt. Mittlerweile stehen von ROHM Semiconductor diverse SiC-Produkte zur Verfügung. Von Manfred Feske * * Manfred Feske ist Field Application Engineer bei Silica/Deutschland ROHM hat mit der Serienfertigung von 1200V/180A-SiC-MOS-Modulen begonnen, die für Inverter/Wandler in industriellen und Photovoltaik-Systemen und Ähnlichem zum Einsatz kommen. Die Produkte sind die ersten Module, in denen ein Leistungshalbleiter nur aus SiC-MOSFETs enthalten ist. Damit wurden ein Strom-Rating von 180 A erreicht und die Anwendungsvielfalt erhöht, während gleichzeitig eine geringere Leistungsaufnahme und eine größere Kompaktheit ermöglicht wurden. Wenn man sich die SiC-Halbleitertechnologie genauer ansieht, zeigt sich ihr enormes Potenzial in Leistungselektronikanwendungen. Verglichen mit konventionellen Siliziumbausteinen, weisen die SiC-Bausteine deutliche bessere Werte bei einer Reihe von wichtigen Parametern wie der Durchbruchspannung, der Bandlückengröße und der Wärmeleitfähigkeit auf. Die größere Bandlücke von SiC lässt erwarten, dass SiC-Bausteine hervorragende Leistungswerte aufweisen. Die größere Durchbruchfeldstärke macht es möglich, SiC-Leistungshalbleiter mit dünneren und stärker dotierten Sperrschichten zu realisieren. Diese stärker dotierten Sperrschichten (um einen Faktor 10 höher als bei konventionellen Si- Bausteinen) ermöglichen dank der erhöhten Anzahl von Majoritätsladungsträgern einen geringeren Widerstand. Zusammen mit der geringeren Dicke der Sperrschichten (nur 1/10 der Dicke von konventionellen Si-Bausteinen) kann bei SiC-Bausteinen ein spezifischer Widerstand realisiert werden, der nur noch ein Hundertstel eines Si-Bausteins ausmacht. In Kombination mit der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit (besser als von Silber) dürften die SiC-Leistungshalbleiter deutlich bessere Leistungsparameter als konventionelle Silizium- Leistungshalbleiter aufweisen. Darüber hinaus sind die Leistungsparameter von SiC-Bausteinen auch noch deutlich weniger temperaturabhängig, als das bei Si-Bausteinen der Fall ist (die thermische Leitfähigkeit von SiC sinkt um 35 Prozent, wenn die Temperatur von 300 auf 400 K steigt, bei Silizium verändert sich der Wert um 65 Prozent).»Die Zeit ist reif für SiC«Obwohl die ersten kommerziellen SiC-SBDs bereits 2001 verfügbar waren, war die Akzeptanz im Markt bis vor kurzem noch sehr ge- 41

38 Silica Power-Experten Vergleich der Temperaturabhängigkeit von SiC-SBD und Si-FRD (Fast Recovery Dioden) Quelle: ROHM Semiconductor ring. Dass das Interesse und die Akzeptanz heute deutlich zugenommen haben, ist vorwiegend auf folgende Gründe zurückzuführen: gesunkene Produktionskosten; die Verfügbarkeit von SiC-Transistoren; ein größeres Herstellerspektrum; der generelle Trend hin zu»grüner Energie«und insbesondere die Forderung nach einer Energiewandlung mit hohem Wirkungsgrad, was wiederum durch neue Gesetze und eine Nachfrage im Markt getrieben ist; neue Anwendungen wie Elektrofahrzeuge (EV) und die dazugehörigen Ladestationen. Leistungsvergleich zwischen SiC und Si Quelle: ROHM Semiconductor Yole Developpement hat in seinem Report»SiC 2010«den Umstieg auf 4-Zoll-SiC-Wafer als Meilenstein bezeichnet, der den Weg zu reduzierten Kosten geöffnet hat. In diesem Report ist zu lesen:»der gesamte SiC- Substratmarkt betrug 2008 rund 48 Mio. Dollar. Wir gehen davon aus, dass er innerhalb von einer Dekade 300 Mio. Dollar übersteigen wird.«der bevorstehende Umstieg auf 6-Zoll-Wafer soll hierbei eine wichtige Rolle spielen, da sich damit die Kosten abermals senken lassen und das Marktwachstum vorantreiben lässt. Gemäß dem Report»wird die Nutzung von 150-mm-Wafern die Kostensenkung in der Fertigung von SiC-Bausteinen deutlich beschleunigen.«sic-mosfets kontra SiC-JFETs SiC-JFETs stellen in Hinblick auf die Bausteincharakterisierung derzeit die am weitesten ausgereifte Technologie unter allen SiC-Bausteinen dar. Die bekannten Komponenten erreichen sehr hohe dv/dt- und di/ dt-werte, ohne ein»parasitäres Klingeln«in Kauf nehmen zu müssen. Aber diese Bausteine sind typischerweise leitend, wodurch sie sich in Applikationen mit geregeltem Fehlerverhalten schlecht einsetzen lassen. Hinzu kommt, dass spezielle Treiberschaltungen notwendig sind. SiC-MOSFETs weisen vergleichbare Parameter auf, aber sie sind typischerweise nicht-leitend, wodurch die eben erwähnten Sicherheitsprobleme hinfällig sind. Das SiC-Produktspektrum von ROHM Semiconductor ROHM Semiconductor bietet mittlerweile seine zweite Generation an SiC-Planar-MOSFETs mit Sperrspannungen von 1200 V an. Geringe Schaltverluste sind einer der wichtigen Vorteile dieser Bausteine. ROHM entwickelt bereits an der nächsten Generation von SiC- Trench-MOSFETs. Sie werden nicht nur verringerte Schaltverluste (kein Schweifstrom), sondern auch niedrigere Leitungsverluste aufweisen. Das kommerziell verfügbare Produkt SCT2080KEC ist für 1200 V und einen kontinuierlichen Drain-Strom von bis zu 35 A ausgelegt. In den SCH2080KE-Komponenten ist zusätzlich eine SiC-Schottky-Barriere-Diode (SiC-SBD) mit ins Gehäuse gepackt. Für höhere Stromdichten bietet ROHM Semiconductor SiC-MOSFETs in Form von Modulen als Halbbrücke an. Die zwei SiC-MOSFETs sind für 1200 V und einen maximalen kontinuierlichen Drain-Strom von 120 A ausgelegt. Im BSM120D12P1C005-Modul wiederum sitzen die beiden Transistoren und die SiC-SBDs in einem Gehäuse. Silizium-SBDs sind für eine maximale Durchbruchspannung von 200 V ausgelegt. Die Physik des metallischen Siliziumkontakts bestimmt diese Grenze. SiC-SBDs bieten sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten bei kaum auftretenden Sperrverzögerungsverlusten. Hinzu kommt, dass die Schaltverluste von SiC-SBDs deutlich kleiner als bei Si-FRDs (Fast Recovery Diode) ausfallen. Tests haben gezeigt, dass sich der Wirkungsgrad mit SiC-SBD im Vergleich zu Fast-Recovery-Dioden um mehr als 2 Prozent steigern lässt. Zusätzlich dazu zeichnen sich SiC-SBDs wie die Si-SBDs durch einen sehr niedrigen Spannungsabfall in Durchlassrichtung aus, allerdings kombiniert mit einer unerreichten Temperaturstabilität. ROHM Semiconductor bietet SiC-SBDs mit einer Sperrspannung bis 1200 V und Durchlassströmen bis 40 A an. Zielapplikationen für die SiC-Produkte Schaltnetzteile mit Ausgangsleistungen von über 300 W und für einen CCM-Betrieb (Continuous Conduction Mode) nutzen typischerweise Aufwärtswandler mit aktiver Leistungsfaktorkorrektur. Wird eine SiC-Diode anstatt einer Si-Diode eingesetzt, dann hat dies den einen entscheidenden Vorteil: ein deutlich geringerer Sperrverzögerungsstrom. Das wiederum führt dazu, dass die Schaltverluste um fast 60 Prozent reduziert sind und damit zur Senkung der elektromagnetischen Interferenzen nur noch eine deutlich einfachere Snubber-Schaltung oder sogar gar keine Snubber- Schaltung notwendig ist. Außerdem muss der Schalttransistor nicht mehr angepasst werden, um den hohen Sperrstrom der Siliziumdiode zu berücksichtigen. Das heißt, dass ein für niedrigere Ströme ausgelegter und damit kostengünstigerer Transistor verwendet werden kann. Mit geringeren Verlusten können auch die Kühlungssysteme kleiner ausfallen. Kleinere Schaltverluste erlauben aber auch, die Schaltungen mit höheren Frequenzen laufen zu lassen. Dadurch können die Entwickler den Wirkungsgrad zusätzlich erhöhen und/ oder die Größe der Drosselspule reduzieren das spart sowohl Kosten als auch Leiterplattenfläche. (st) 42

39 Silica AC/DC-Wandler Diodes Super Barrier Rectifiers verbessern die Zuverlässigkeit von AC/DC-Wandlern Der steigende Bedarf an portablen Geräten führt dazu, dass sich die Hersteller von AC/DC-Wandlern darauf konzentrieren, die Größe, den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit ihrer Produkte zu verbessern, und das Ganze noch mit einer langen Produktlebenszeit zu kombinieren. Von Colin Davies * Die Strom- und Wärmedichte (Erwärmung) sind in Folge dessen beim Gleichrichter in den Mittelpunkt der Betrachtungen gerückt. Schaltungen sind typischerweise Umgebungstemperaturen bis 125 C ausgesetzt, was den Entwickler vor erhebliche technische Herausforderungen stellt. Der Ausfall von AC/DC-Wandlern ist sehr häufig auf den Gleichrichter zurückzuführen, so dass grundlegende Änderungen notwendig sind, wenn die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessert werden soll. Schottky- und PN-Dioden Bisher stellten Schottky-Dioden und PN-Dioden (»FREDs«, Fast Recovery Dioden) die beiden einzigen Optionen für den Entwickler von * Colin Davies ist weltweiter Applications Manager von Diodes Stromversorgungen dar. Beide Typen haben ihre Stärken, leider aber auch erhebliche Schwächen. Die Schottky-Dioden zeichnen sich durch eine niedrige Vorwärtsspannung (Vf) aus, reagieren aber aufgrund ihrer hohen Leckströme bei hohen Temperaturen sehr empfindlich auf Temperaturänderungen. Deshalb sind die Entwickler oft gezwungen, sich nach Alternativen umzusehen, und kommen so auf die PN-Diode. Sie weist im Vergleich zur Schottky-Diode bei höheren Temperaturen deutlich niedrigere Leckströme auf, dafür ist aber die Vorwärtsspannung wesentlich höher als bei Schottky-Dioden. Dies wiederum führt zu einem niedrigeren Wirkungsgrad der Stromversorgung. Vereinfacht kann man also sagen: Der Ersatz einer Schottky-Diode durch eine PN-Diode vermindert zwar das Risiko eines thermischen Durchgehens (thermal runaway), verringert dafür aber den Wirkungsgrad also keine gute Alternative für die Entwickler von Stromversorgungen. Super Barrier Rectifier Die Super Barrier Rectifier (SBR) von Diodes sind in Wirklichkeit nichts Neues, sondern werden schon seit einiger Zeit erfolgreich eingesetzt, um den Wirkungsgrad von Stromversorgungen im höheren Leistungs- und Temperatur-Bereich zu verbessern. Der SBR ist die erste Wahl zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von AC/DC- Wandlern, da er als Gleichrichter die niedrige Vorwärtsspannung einer Schottky- Diode mit den niedrigen Leckströmen und der Stabilität einer PN-Diode kombiniert. Die Struktur eines SBR ist ähnlich der eines MOSFETs mit verkürztem Gate und besteht insgesamt aus tausenden von einzelnen Zellen, die ein Netz paralleler Gate-Kanäle bilden. Diese Struktur umfasst ein dünnes Gate, welches einen invertierten NMOS-Kanal direkt unter der Zelle bildet. Im Vorwärtsbetrieb kann ein starker Elektronenfluss mit reduzierten Leitungsverlusten durch den schwach invertierten N-Kanal fließen. Die Leitungsverluste einer SBR-Diode sind dadurch deutlich geringer als bei einer Standarddiode mit PN-Übergang. Sobald die angelegte Spannung einige hundert mv erreicht hat, ergibt sich im Sperrbetrieb durch die überlappenden Bereiche im Verarmungsgebiete eine Abschnürung (pinchoff). Mit steigender Rückwärtsspannung ändert sich aber der Leckstrom deutlich langsamer und zeigt bis zum Erreichen der Durchbruchspannung einen flachen Verlauf. Dies bedeutet in Summe, dass eine SBR-Diode nicht die Nachteile einer Schottky-Diode besitzt. Dieses Verhalten führt zu einem höheren Wirkungsgrad und einer geringeren Erwärmung. Das Endergebnis ist eine erhöhte Zuverlässigkeit der Stromversorgung in heutigen Designs für hohe Leistungen und unter hohen Temperaturen. (st) 43

40 Silica AC/DC-Wandler NXP Semiconductors Hocheffiziente Leistungsund Beleuchtungs-ICs sowie zweiphasige PowerMOS Mit dem Ziel, die Energieeffizienz zu verbessern, stellt die GreenChip-Technologie von NXP Semiconductors das Herz der kostengünstigen, hocheffizienten Power- und Beleuchtungs-ICs dar. NXP bietet ein umfassendes Sortiment an Schaltreglern, die dem Endkunden hohe Effizienz, äußerst geringen Leerlauf-Stromverbrauch, einen hohen Leistungsfaktor, eine lange Lebensdauer, Robustheit und einen kleinen Flächenbedarf auf der Platine bieten. Die Schaltregler eignen sich für viele Anwendungen, beginnend bei Stromversorgungen für kleine und große Geräte bis hin zu Kommunikationsmodulen, Audioverstärkern, medizinischen und Consumer-Geräten, Adaptern und Ladegeräten. Für Netzteile bis zu 11 W ist die Flyback- Wandler IC-Familie TEA172x mit den Modellen TEA1721 (bis 5 W) und TEA1723 (bis 11 W) die jeweils richtige Wahl. Beide beinhalten einen 700-V-MOSFET und gestatten dank des implementierten Regelverhaltens einen hohen Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich. Unterschiedliche Burstfrequenzen von 420 Hz (AT) bis 1850 Hz (FT) ermöglichen eine extrem geringe Leerlaufleistung von unter 10 mw bzw. unter 25 mw. Durch die auf der Primärseite geregelte Ausgangsspannung ist kein Optokoppler mehr erforderlich. Dank einer variablen Schaltfrequenz von über 22 khz wird vernehmbares Rauschen in allen Betriebsarten vermieden, das Maximum von 51,5 khz stellt niedrige Schaltverluste sicher. Übersicht über die Leistungs-MOSFETs von NXP Semiconductors Quelle: NXP Semiconductors Für Netzteile bis 75 W bietet NXP die IC-Familie TEA173x; die TEA1731-, TEA1733- und TEA1738-Bausteine zeichnen sich durch verbesserte Frequenzverläufe gegenüber der Ausgangsleistung aus, um den Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich zu optimieren. Dank der kostengünstigen und äußerst kompakten TSOP6-Gehäuse ist der im Spitzenstrom- und Frequenzregelmodus arbeitende TEA1731TS der gängigste Typ. Für Leistungen bis 250 W stehen der Green- Chip III DCM/QR-mode PFC und Flyback Combo-IC TEA1755 zur Verfügung. Die extra implementierten»green«-funktionen ermöglichen einen hohen Wirkungsgrad auf allen Leistungsniveaus. Bei hohen Leistungen arbeitet der Flyback im QR- bzw. DCM-Modus mit Valley-Detection-Funktion. Bei mittleren Leistungen schaltet der Flyback-Controller in den FR-Modus (FR: Frequency Reduction) und begrenzt den Spitzenstrom auf einen einstellbaren Minimalwert. Im Low-Power-Modus schaltet die PFC ab, um den hohen Wirkungsgrad zu bewahren. Bei sehr niedrigen Leistungen, wenn die Flyback-Schaltfrequenz unter 25 khz fällt, schaltet der Flyback-Wandler in den Burstmodus. Das Valley Switching wird in allen Betriebsarten genutzt. Der advanced Burstmodus stellt einen hohen Wirkungsgrad bei niedriger Leistung und eine gute Standby-Versorgung sicher, bei gleichzeitiger Minimierung der vernehmbaren Trafo-Geräusche. Der NXP TEA1716 integriert eine PFC und einen Halbbrücken-Wandler (HBC) in einem kompakten SO24-Gehäuse. Er übernimmt die Treiberfunktion für den diskreten MOSFET in einem Aufwärtswandler und für zwei diskrete Leistungs-MOSFETs in einer Resonanz-Halbbrückenkonfiguration. Der effiziente Betrieb der PFC wird durch die Implementierung von Funktionen wie dem quasi-resonanten Betrieb bei hohen Leistungen und dem quasiresonanten Betrieb mit Valley-Skipping bei niedrigen Leistungen erreicht. Der HBC-Teil ist ein Hochspannungs-Controller für das Zero Voltage Switching (spannungsloses Schalten) der MOSFETs, was auch als Soft-Switching bezeichnet wird. Daher ist eine kurze Zeit zwischen den Anschaltzeiten der High-Side- und Low-Side-MOSFETS erforderlich. Während dieser Zeit lädt bzw. entlädt der primäre Resonanzstrom die Kapazität der Halbbrücke zwischen Masse und Verstärkungsspannung. Nach dem Entladen/Laden beginnt die Body-Diode des MOSFETs zu leiten. Da die Spannung über dem MOSFET 0 ist, entstehen keine Schaltverluste, wenn der MOSFET eingeschaltet wird. Diese Betriebsart entspricht einem induktiven Modus, weil die Schaltfrequenz über der Resonanzfrequenz liegt und der Resonanzkörper einen induktiven Widerstand aufweist. Das IC schaltet idealerweise den MOSFET ein, sobald der HB-Übergang abgeschlossen ist. Wartet er länger, kann die HB-Spannung insbesondere bei hohen Ausgangslasten zurückschwingen. Die eingebaute Steuerung für die Nicht-Überlappungszeit zwischen den MOS- FETs übernimmt das Timing, sodass eine festgelegte Totzeit nicht erforderlich ist und somit 44

41 weniger Bauteile nötig sind. Die adaptive Nicht-Überlappungszeitserfassung misst die HB-Steilheit, nachdem ein MOSFET abgeschaltet wurde. Durch den Burstmodus und die Power-Management-Funktionalität kann die ErP-Richtlinie (Energy using Product) Los 6 (unter 0,5 W bei 250 mw Last) erfüllt werden. Es besteht ein klarer, sich Jahr für Jahr fortsetzender Trend zu höheren Wirkungsgraden, der Netzteile immer kleiner werden lässt. Die Synchronous Rectification Controller von NXP eignen sich bestens, um den Wirkungsgrad von Netzteilen mit DMC-Modus und Flyback- Wandlern zu steigern. SR in einem Netzteil ist eine Technik, um den Wirkungsgrad der Gleichrichtung zu verbessern, indem die (Schottky-)Dioden durch einen aktiv gesteuerten Schalter ersetzt werden. Der Spannungsabfall einer Standard-(Schottky-)Diode ist üblicherweise zu hoch und kann zu beträchtlichen Leistungsverlusten führen. Diese Verluste in der Gleichrichterdiode lassen sich deutlich verringern, wenn diese durch einen Schalter ersetzt wird (in den meisten Fällen ein MOSFET). Der Leitungswiderstand (R DSon ) des Schalters lässt sich so auswählen, dass er der erforderlichen Leistung entspricht und zu geringen Leitungsverlusten führt. NXP bietet eine große Auswahl an Controllern, beginnend bei Low-Side-Controllern mit integrierter Feedback-Regelung bis hin zu SR-Controllern, die auch auf der High Side eingesetzt werden können. Das gängigste Modell ist der TEA1792T, der auf der Sekundärseite des Trafos im DCM-Modus (Discontinuous Conduction Mode) und als quasi-resonanter Flyback- Wandler arbeitet. Die TEA1792A- und TEA Bausteine sind außerdem für Resonanzwandler-Topologien in Stromversorgungen geeignet. Die starke Treiberfähigkeit der Treiberstufe, die das externe MOSFET-Gate auf 10 V bringt, stellt sicher, dass der MOSFET schnell ein- und ausgeschaltet wird und dass er immer mit dem geringstmöglichen R DSonbetrieben wird. Die Tatsache, dass der IC zwischen einem primären Impulssignal und einem Klingeln bei niedriger Netzspannung unterscheidet, gewährleistet, dass der externe MOSFET immer zum korrekten Zeitpunkt einund ausgeschaltet wird. NXP bietet eine große Auswahl an MOSFETS mit Betriebsspannungen bis zu 100 V an. (st) Infineon Technologies Dioden der fünften Generation: 650V thinq!»thinq!«in der fünften Generation ist die führende Technologie von Infineon für SiC-Schottky- Barrier-Dioden. Infineon Technologies hat seinen proprietären Diffusionslötprozess, der mit der dritten Generation eingeführt wurde, mit einem neuen, kompakteren Design und der Dünnwafer-Technologie kombiniert. Die darauf basierende neue Produktfamilie zeichnet sich dank verbesserter thermischer Eigenschaften und eines geringeren FOM-Faktors (Figure-of-Merit: Qc x Vf) durch einen höheren Wirkungsgrad in allen Lastbereichen aus. Die fünfte thinq!-generation wurde als Ergänzung zu Infineons 650-V-CoolMOS-Familien konzipiert und gewährleistet so die Einhaltung strengster Anwendungsanforderungen in diesem Spannungsbereich. Sie zeichnet sich durch folgende Features aus: Durchschlagspannung von 650 V; verringerter FOM-Faktor; Keine Sperrverzögerungsladung; ein sanft schaltender Kurvenverlauf des Sperrstroms; Temperaturunabhängiges Schaltverhalten; Der Vergleich des Wirkungsgrads zwischen den drei Infineon-Generation von 8-A-SiC-Dioden (experimentelle Ergebnisse) a) Absolute Werte b) Für thinq! der 5. Generation (CCM-PFC, hohe Eingangsspannung, Pout max = 1800 W, f SW = 65 khz, T HS = 60 C, MOSFET: IPW60R075CP) Quelle: Infineon Technologies hohe Betriebstemperaturen (Tjmax 175 C); verbesserte Stromstoßfähigkeit; bleifreie Anschlüsse; 10 Jahre Erfahrung in der Fertigung von SiC-Dioden. Die Chips der fünften Generation sind für den Einsatz in High-End-Servern, Schaltnetzteilen in Telekommunikationsanlagen, PC-Netzteilen, Beleuchtungen, Antriebsmotoren, Solarwechselrichtern und UPS-Systemen (Uninterruptible Power Supply; unterbrechungsfreie Stromversorgung) optimiert. Weitere Informationen finden Sie auf sic-gen5. (st) 45

42 Silica AC/DC-Wandler Microchip Technology Höhere Effizienz für AC/DC-Wandler Energiesparende Konzepte sind ein zentrales Thema in der heutigen Entwicklung von Stromversorgungen. Effizienz und Zuverlässigkeit gehören zu den wichtigsten Designaspekten. Eine der strengsten Vorgaben, die in den vergangenen 12 Monaten veröffentlicht wurden, ist die von der Energy Climate Savers Computing Initiative (CSCI) herausgegebene»efficiency Platinum«-Spezifikation für Netzteile mit einzelnem AC- Eingang mit einem Leistungsbereich bis 1 kw. Obwohl sich diese Spezifikation derzeit auf Einzel-, Dual-, 4-Sockel- und Blade- Server-Architekturen bezieht, ist damit zu rechnen, dass sie auch auf Workstations und Clients angewandt wird, sobald sich diese Technologie etabliert hat. Darüber hinaus ist Energy Star ein führender Standard in vielen massengefertigten Konsumentenprodukten, wie z.b. Entertainment-Systemen. Microchip Technology hat ein voll digital geregeltes 720-W-AC/DC-Referenzdesign entwickelt, das auf Blade- und Volumen-Server- Anwendungen mit hoher Effizienz und hoher Leistung ausgelegt ist. Die Topologie mit überlappter PFC-Schaltung und überlapptem Two-Switch-DC/DC-Durchflusswandler mit synchroner Gleichrichtung beruht auf voll programmierbaren dspic33-gs-dscs mit dedizierter SMPS-Peripherie. Im Folgenden werden die adaptiven Algorithmen vorgestellt, die zur Anpassung von Schaltfrequenzen, Bulk-Spannung und anderen internen Systemparametern an verschiedene Lastzustände verwendet werden, wodurch sich die Gesamteffizienz verbessert, sodass letztlich die»energy STAR 80 Plus Platinum Efficiency«-Spezifikation erfüllt wird (Abbildung 1). Einleitung Netzteile von Blade- und Volumen-Servern müssen gewöhnlich höchste Leistung, eine lange Lebensdauer, große Zuverlässigkeit und hohe Leistungsdichte liefern, und zwar zu annehmbaren Kosten. Microchip Technology und APtronic/Deutschland haben ein Netzteil entwickelt, das als Fallstudie zur Beleuchtung verschiedener Design-Aspekte in dieser anspruchsvollen Anwendungsumgebung dient. Die folgenden Abschnitte beschreiben die Systemarchitektur und geben einen Überblick über den Ansatz zur digitalen Regelung für verschiedene Verfahren zur Steigerung der Gesamteffizienz. Angesichts der hohen Anforderungen an Leistung und Haltbarkeit wurde die Verwendung bewährter Hard-Switching-Topologien anstelle effizienterer Soft-Switching- oder Re- sonanz-wandlertypen beschlossen. Um dennoch die»energy STAR 80 Plus Platinum Efficiency«-Vorgaben zu erreichen, wurden adaptive Algorithmen zur Minimierung der Leistungsverluste implementiert. Einige davon erfordern zusätzliche Hardware für eine gezieltere Regelung des Systems. Abbildung 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm des Referenzdesigns für ein AC/DC-Netzteil mit Platinum-Einstufung. Analyse der Leistungsverluste Ein erster Schritt bei der Optimierung der Effizienz ist die detaillierte Analyse der Verluste, um deren Quellen zu identifizieren und Lösungen zur Verbesserung zu entwickeln. Abbildung 3 zeigt alle festgestellten Verluste, ihren Quellen zugeordnet, bei Volllast und bei Leichtlast. Die aufgeführten Verluste hängen mit Aspekten des Hardware-Designs zusammen, wie Kupferdicke, Gestaltung der Magnetbauteile, Layout und Art der verwendeten Halbleiter. Beim Vergleich der Schaubilder fällt auf, dass der Anteil der verschiedenen Quellen je nach Last erheblich schwankt. Während bei Volllastbedingungen der Großteil der Verluste durch Leitungsverluste verursacht wird, sind es bei Leichtlastbedingungen vor allem die FET-Treiber und die Hilfsstromversorgung der Regelstufe, die für die Verluste verantwortlich sind. Die wichtigste Schlussfolgerung aus diesem Vergleich ist, dass für die verschiedenen Lastbedingungen unterschiedliche spezifische Lösungen zur Reduzierung der Leistungsverluste erforderlich sind, wobei ein intelligentes System benötigt wird, das die Lastbedingungen erkennt und die internen Parameter anpasst. Erweiterte Regelung des Synchrongleichrichters Abbildung 1: Die jüngsten Effizienz- Maßstäbe für Stromversorgungen von CSCI Quelle: Microchip Technology Die von der Gleichrichterdiode auf der Sekundärseite verursachten Leistungsverluste wurden auf ein Minimum beschränkt, indem der Gleichrichter durch einen Leistungsschalter überbrückt wurde. Bei Volllast kann das Netz- 46

43 teil bis zu 60 A bei 12 V DC liefern. Da der Ausgangsstrom relativ hoch ist, bildet der Einschaltwiderstand der Gleichrichter-MOSFETs die primäre Verlustursache bei voller Ausgangsleistung. Um diese Verluste zu minimieren, arbeiten zwei MOSFETs mit einem sehr niedrigen Einschaltwiderstand parallel. Bei einer Last von ca. 45% jedoch beginnt die Leistung, die notwendig für den Betrieb dieser FETs ist, die Einsparungen zu übersteigen. Deshalb wird nur einer der beiden FETs bei Lasten unter 45% verwendet. Bei einer Last von 15% beginnt die Leistung für den Betrieb dieses einzelnen MOSFETs erneut, die Einsparungen zu übersteigen, da die Gleichrichterdiode überbrückt wird. Ab jetzt werden nur die Inversdioden der MOSFETs zur Gleichrichtung bis zum Erreichen des Nulllastzustands eingesetzt. Abbildung 2: Schematisches Blockdiagramm Quelle: Microchip Technology Dynamische Reduzierung der Schaltfrequenz Der Vergleich der Leistungsverlustanalyse bei Volllast und Leichtlast zeigt, dass die Schaltverluste bei Leichtlastbedingungen immer stärker ins Gewicht fallen. Bei einer von 100 auf 10% sinkenden Last verdoppeln sich die Verluste von PFC-Schaltung und DC/DC- Wandlerstufe nahezu und summieren sich auf mehr als 40% des Gesamtleistungsverlusts. Deshalb wurde ein Algorithmus implementiert, der die Schaltfrequenz reduziert, wenn das Netzteil in Lastbedingungen mit weniger als 50% Last eintritt. Um die Schaltfrequenz reduzieren zu können, müssen die Regelkoeffizienten angepasst werden, so dass Durchtrittsfrequenz sowie Phasen- und Amplitudenreserve gewahrt bleiben. Die Schaltfrequenz kann allerdings nur innerhalb bestimmter physischer Grenzen angepasst werden, die von der Art der verwendeten Topologie abhängen. Aus diesem Grund variieren die mit PFC-Schaltung und DC/DC-Wandlerstufen erreichbaren Mindestschaltfrequenzen abhängig von der jeweiligen Lastbedingung. Dynamische Reduzierung der Bulk-Spannung Das Reduzieren der Bulk-Spannung bei Leichtlastbedingungen ist ein gängiges Verfahren, um in AC/DC-Netzteilen die Effizienz von PFC- Schaltungen zu erhöhen. Der positive Effekt auf die Effizienz der PFC wirkt sich jedoch negativ auf die Effizienz der DC/DC-Stufe aus und bedingt somit ebenfalls bestimmte Grenzen bei der Abwägung von Verlusten und Einsparungen. Resultate Abbildung 4 zeigt die Resultate, die durch Anwendung der verschiedenen oben beschriebenen Verfahren erzielt wurden. Die gestrichelte rote Linie steht für die Vorgaben und Referenzpunkte des»80+ Platinum«-Standards. Wenn der dspic-gs-dsc lediglich als Ersatz für einen Schaltregler ohne zusätzliche Funktionen eingesetzt wird, weist das Netzteil zwar noch immer eine gute Effizienz auf, bei Lasten unter 60% erfüllt es die Vorgaben des Standards jedoch nicht mehr. Eine Verbesserung der Effizienz im Hochlastbereich zwischen 60 und 100% um ca. 0,7% wird durch eine permanente Optimierung der Zeitabstimmung zwischen den primären Schaltern und dem Synchrongleichrichter erreicht. Bei ca. 55% Last beginnt die verbesserte Regelung Abbildung 3: Vergleich der Verlustleistungsquellen bei Volllast und Leichtlast Quelle: Microchip Technology 47

44 Silica AC/DC-Wandler Schlussfolgerung Abbildung 4: Resultate der Optimierung des Synchrongleichrichters, Wirkung zu zeigen, und die Effizienz erhöht sich bei 50% Last um mehr als 1%. Die deutliche Verbesserung im Bereich unter 45% ist eine Kombination aus Reduzierung der Frequenz, Anpassung der Quelle: Microchip Technology Bulk-Spannung und verbesserter Regelung des Synchrongleichrichters. Durch den kombinierten Einsatz aller Verfahren könnte die Effizienz bei 10% um mehr als 8% erhöht werden. Die größere Flexibilität einer voll digitalen Regelstufe eröffnet verschiedene Optionen zur Optimierung der Funktionalität unter bestimmten Bedingungen. Jede Topologie und Systemkonfiguration hat ihre spezifischen Quellen für Leistungsverluste und nutzt daher unterschiedliche Verfahren zu deren Ausgleich bzw. Minimierung. Voll programmierbare Regelplattformen bieten die nötige Flexibilität, um auf spezifische Aspekte der jeweiligen Topologie und Peripherieschaltung einzugehen, so dass der Entwickler gezielte Maßnahmen zur Optimierung des Systems umsetzen kann. Vor dem Hintergrund bestehender wirtschaftlicher und technischer Anforderungen wird Microchip auch weiterhin Produkte entwickeln sowie zuverlässige und bewährte Regelverfahren erstellen, die die Entwicklung der nächsten Generationen energieeffizienterer Netzteile unterstützen. (st) Texas Instruments (TI) Netzteil-Controller mit niedrigstem Standby-Verbrauch TIs quasi-resonanter Flyback-Controller UCC28710 mit 700-V-Starterschaltung zeichnet sich durch eine Leerlauf-Leistungsaufnahme des Systems von weniger als 10 mw aus und erreicht 5 Sterne nach den IPP-Richtlinien der EU für stromsparende Netzteile und Ladegeräte. Der Controller ist für Smartphone- oder Tablet-Netzteile, aber auch für andere Netzteilanwendungen im 5 bis 10 W Leistungsbereich vorgesehen. Neben seiner geringen Leistungsaufnahme ermöglicht der primärseitig geregelte Flyback-Controller UCC28710 Entwicklern die Realisierung kompakterer Netzteile und netzgespeister Geräte. Weitere Informationen und Muster sind unter zu finden. Der Controller erzielt bei 5 W Ausgangsleistung einen in der Branche unübertroffenen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 78 % und erfüllt die kleiner 30 mw Leerlaufverlust-Anforderung für die Vergabe der 5 Sterne Bewertung nach den Vorgaben der IPP- Richtlinie der EU. Der UCC28710 basiert auf der neuen, für 700 V ausgelegten 0,25-µm- Analog-Prozesstechnologie LBC7HV von TI, um den Start-up-Schalter integrieren zu können. Hierdurch verringert sich die Standby-Verlustleistung um weitere 8 bis 10 mw. Der Flyback-Controller UCC28710 zeichnet sich durch folgende Eigenschaften: niedrigste Standby-Leistungsaufnahme von weniger als 10 mw und Eignung für hohe Start-up-Spannungen; höchste Integration durch primärseitiger Konstant-Spannungs-/Konstant-Strom-Regelung - auf Optokoppler und eine TL431- Feedbackschaltung kann gänzlich verzichtet werden; unterstützt einen unerreicht weiten VDD- Spannungsbereich, so dass kleinere Bias-Kondensatoren verwendet werden können; dank der hohen Schaltfrequenz können kleinere Trafos verwendet werden; durch den Wegfall zusätzlicher externer Schaltungen wird das gesamte Design kompakter und weniger komplex. der Wegfall des Optokopplers und ein optionaler Eingang zum Anschluss eines frei positionierbaren NTC-Widerstands erhöhen die Systemzuverlässigkeit. Die UCC287xx-Familie besteht aus dem UCC28700, dem UCC28701 und weiteren Produkten, mit denen sich einfach und schnell Netzteile entwickeln lassen. Ein auf dem UCC28710 basierendes Design für ein 10-W- Ladegerät (Tablets und Smartphones) erweitert die PowerLab-Referenzdesign-Bibliothek für Netzteile und Universal-USB-Ladegeräte. Der UCC28710 ist in einem SOIC-Gehäuse mit 7 Pins erhältlich. Das 5 W Evaluationsmodul UCC28711EVM aus TIs estore wandelt die eingangsseitige Spannung von 90 bis 265 V in eine Gleichspannung von 5 V um (mit einer Strombegrenzung auf 1 A für den Einsatz in USB-Netzteilen). (st) 48

45 StrongIRFET Robuste, zuverlässige MOSFETs Spezifikationen Bauteilnummer B VDSS ID@ 25 C R DS(on) max@ Vgs = 10V Qg@ Vgs = 10V Gehäuse IRFH7004TRPbF 40 V 100 A 1.4 mω 134 nc PQFN 5x6 IRFH7440TRPbF 40 V 85 A 2.4 mω 92 nc PQFN 5x6 IRFH7446TRPbF 40 V 85 A 3.3 mω 65 nc PQFN 5x6 IRF7946TRPbF 40 V 90 A 1.4 mω 141 nc DirectFET Medium Can IRFS7437TRLPbF 40 V 195 A 1.8 mω 150 nc D 2 -Pak IRFS7440TRLPbF 40 V 120 A 2.8 mω 90 nc D 2 -Pak IRFS7437TRL7PP 40 V 195 A 1.5 mω 150 nc D 2 -Pak 7pin IRFR7440TRPbF 40 V 90 A 2.5 mω 89 nc D-Pak IRFB7430PbF 40 V 195 A 1.3 mω 300 nc TO-220AB IRFB7434PbF 40 V 195 A 1.6 mω 216 nc TO-220AB Features: Ultra-niedriger R DS(on) Hochstrombelastbar Für den Industrieeinsatz qualifiziert Breites Portfolio-Angebot Applications: Batterie-Packs Umrichter USV Solarwechselrichter Gleichstrommotoren ORing oder Hotswap IRFB7437PbF 40 V 195 A 2 mω 150 nc TO-220AB IRFB7440PbF 40 V 120 A 2.5 mω 90 nc TO-220AB IRFB7446PbF 40 V 118 A 3.3 mω 62 nc TO-220AB IRFP7430PbF 40 V 195 A 1.3 mω 300 nc TO-247 Für weitere Informationen sind wir unter +49 (0) erreichbar oder besuchen Sie uns unter THE POWER MANAGEMENT LEADER

46 Silica AC/DC-Wandler Renesas Electronics Super-Junction-PowerMOSFETs der 600/650-V-Klasse Die Super-Junction-PowerMOSFET (SJ-PMOSFET) setzen einen neuen Maßstab für den niedrigsten Drain-Source-Widerstand und hohe Schaltgeschwindigkeiten. Sie sind die ideale Wahl für Anwendungen, die höchste Energieeffizienz bei Motorsteuerungen, erneuerbaren Energien, Stromversorgungen und anderen Bereichen erfordern. Von Steffen Hering * Die zunehmenden Ansprüche an die Effizienz von Leistungselektronik erfordern eine unablässige Suche nach den bestmöglichen Lösungen. Anwendungen wie Stromversorgungen, Motorsteuerung, erneuerbare Energien und Beleuchtungstechnologien sind typische Beispiele in wachstumsstarken Märkten, die Leistungshalbleiter zur Maximierung der Wirtschaftlichkeit benötigen. Dies bedeutet Effizienz im statischen Betrieb ebenso wie im Betrieb bei steigenden Schaltfrequenzen. Beide Parameter, R DSon und Q G, haben Einfluss auf die Verluste. Der Begriff»Figure of Merit«- Faktor (FOM) verbindet beide Parameter durch Multiplikation. Dies ist ein einfacher Maßstab für Effizienz. FOM = R DSon x Q G FOM = R DSon x Q GD (für Gate-Drain-Ladung wird das Symbol»Q GD «verwendet) Mit der neuen Super-Junction-PowerMOSFET (SJ-PMOSFET)-Produktlinie für einen Spannungsbereich von 600 V/650 V in Verbindung mit einem Strombereich von 6,1 bis 55 A wird die Mehrzahl aller Verbraucher- und industriellen Anwendungen abgedeckt. Die niedrigen R DSon - und Q G /Q GD -Werte ergeben einen FOM-Faktor, der die ideale Grundlage für die Entwicklung energieeffizienter Schaltungen bildet. Im Bereich der statischen Verluste bietet diese Produktlinie klare Vorteile gegenüber den herkömmlichen Leistungs-MOSFET-Strukturen. Bei höheren Frequenzen (über 50 khz) sind die SJ-MOS- FETs in Bezug auf die Gesamtverlustleistung sogar IGBTs deutlich überlegen. Abbildung 1: P-Material-Säulen in N-Material bilden die Deep-Trench-Struktur Quelle: Renesas Electronics Beispiel für Standardgehäuse SJ-PMOSFETs sind normalerweise auf einem N+-Substrat aufgebaut. Schichten aus P- dotiertem Material bilden in einem niedrigdotierten N-Material die Säulenstruktur. In einem epitaktischen Aufbauprozess mit mehreren Schritten werden die Säulen Schicht um Schicht aufgebaut. Dadurch wir die Gesamtschichtdicke erhöht, bis die erforderliche Spannungstoleranz erreicht ist. Diese Prozessvariante wird in Abbildung 1 (Mitte) unten dargestellt. Der Nachteil dieses Fertigungsprozesses ist jedoch der relativ langsa- Herkömmliche Halbleiterstrukturen wie z.b. der planare Aufbau eines Leistungs-MOSFETs kommen hier häufig an ihre physikalischen Grenzen. Renesas hat daher eine völlig neue Linie von Leistungs-MOSFETs mit der sog. Super-Junction-Struktur entwickelt. Sie erfüllt die oben beschriebenen Anforderungen in den Bereichen der statischen wie der dynamischen Eigenschaften. Typische statische und dynamische Eigenschaftsparameter sind R DSon (Drain-Source-Widerstand im eingeschalteten Zustand) und Q GD (Gate-Drain- Ladung). * Steffen Hering, A&P Product Management, ICBG, Renesas Electronics Europe 50

47 Abbildung 2: Schalteigenschaften der Diode Quelle: Renesas Electronics Abbildung 3: Topologie für eine Stromversorgung Quelle: Renesas Electronics me epitaktische Aufbau der Schichten zu Säulen und die Komplexität aufgrund der mehrfachen Wiederholungen der Schritte. Renesas hat mit der Deep-Trench-Technologie ein eigenes neues Verfahren zum Aufbau von Super-Junction-Strukturen entwickelt, bei dem diese Nachteile vermieden werden. Das Deep-Trench-Fertigungsverfahren verlangt, dass Gräben in das niedrig dotierte N-Material geätzt werden, um die P-Material-Bereiche zu bilden. Abbildung 1 (rechts) zeigt die Deep-Trench-Struktur. Dank des zuverlässigen Fertigungsprozesses, hochpräziser Maskenausrichtung und Dotierung in Verbindung mit der Verkleinerung der Säulen aus P-Material sind sehr niedrige R DSon -Werte und extrem niedrige interne Kapazitätswerte realisierbar, die wiederum niedrige QG(QGD)-Werte bewirken. Daraus ergeben sich FOM-Bestwerte (Figure-of-Merit). Spezifischer Widerstand um gut 50% verringert Ein Mitglied der Familie ist der Baustein RJK60S5DPK mit absoluten Maximalwerten von 600 V und 20 A. Er erzielt in Bezug auf statische Verluste und Schalteigenschaften sehr gute Ergebnisse. Der spezifische Widerstand pro Oberflächeneinheit ist um rund 52% niedriger als bei herkömmlichen Strukturen. Die außerordentlich niedrigen Werte der Gate-Drain-Ladung QGD, die rund 80% unter denen herkömmlicher Strukturen liegen, ermöglichen schnelles Schalten bei niedrigen Verlusten. Im Vergleich zu herkömmlichen Strukturen liegt der Vorteil für den Anwender in der geringen Wärmeentwicklung im Bauteil, was kompakte Schaltungen, kleinere Gehäuse und die Verwendung günstiger Kühlkörper ermöglicht. Ein Derivat dieses Bausteins gibt es mit spezieller Fast-Recovery-Diode (FRD), die dank ihrer größeren Schaltgeschwindigkeit die Verlustleistung während des Schaltens noch weiter reduziert und damit eine geringere Wärmeentwicklung erzielt (Abbildung 2). In den nächsten Jahren wird die Familie der Super-Junction-Power- MOSFETs ständig erweitert, um zusätzliche Strombereiche und Spannungsklassen abzudecken. Darüber hinaus wird Renesas Varianten mit optimierten Eigenschaften für spezielle Anwendungsbereiche anbieten. Anwendungsbeispiel: Stromversorgung Als Exempel für steigende Effizienzanforderungen bei Anwendungen kann die Stromversorgung dienen. Das Beispiel zeigt die Schaltkreistopologie (Abbildung 3) einer Stromversorgung mit synchroner Gleichrichtung. Die Topologie enthält eine PFC-Steuerung (Power Factor Correction) und eine H-Brücke, beide mit Deep-Trench-SJ-PMOSFET auf der Primärseite. Die Sekundärseite verfügt über einen Mittelspannungs-PowerMOSFET mit einer Spannungsfestigkeit von 60 V. Neben diskreten Bauteilen liefert Renesas auch alle anderen wichtigen Komponenten wie z.b. den PFC- Abbildung 4: Das Diagramm zeigt die Effizienzsteigerung, die durch den»deep-trench«-sj-mosfet erzielt wurde, im Vergleich zu einem Wettbewerbsprodukt mit epitaktisch aufgebauter SJ-Struktur Quelle: Renesas Electronics IC und die ICs für die synchrone Gleichrichtung, Optokoppler für galvanisch getrennte Steuersignale sowie einen Mikrocontroller für die allgemeine Steuerung. In Abbildung 4 ist gut zu sehen, wie entscheidend die implementierten SJ-PMOSFETs zur Effizienzsteigerung beitragen. Zusammenfassung Mit seiner neuen Super-Junction-PowerMOS- FET-Reihe auf Basis der selbst entwickelten Deep-Trench-Technologie hat Renesas einen Maßstab für hocheffiziente Leistungshalbleiter geschaffen. Dies erlaubt eine erhebliche Steigerung der Anwendungseffizienz. Die Fertigung erfolgt vollständig im eigenen Haus und gewährleistet so eine gleichbleibend hohe Produktqualität. (st) 51

48 Silica AC/DC-Wandler STMicroelectronics Komplettes Produktspektrum für eine effiziente AC/DC-Wandlung Dank einer Kombination von Hochspannungs- und Niederspannungstechnologien sowie neuer Materialien ist STMicroelectronics mit einem großen Produktspektrum der ideale Partner für jede AC-DC-Anwendung die richtige Adresse, wenn es auf jedes mw ankommt, wo jedes bisschen Effizienz zählt, wo jeder cm3 eingespart werden muss. Leistungs-MOSFETs der SuperMESH 5 Familie Quelle: STMicroelectronics SiC-Dioden von STMicroelectronics Quelle: STMicroelectronics Für AC-DC-Stromversorgungen und -Wandler bietet STMicroelectronics das komplette Produktspektrum, einschließlich Mikrocontroller, Leistungsfaktorkorrektur-ICs (PFC), eines der breitesten Sortimente von Leistungs-MOSFETs und IGBTs mit erstklassigen Leistungswerten für Hochspannungsbauteile, SiC- und Schottky- Gleichrichter, mit denen sich hocheffiziente, vollintegrierte Hochspannungswandler mit Steuerung, Schutz und Leistungsstufe in einem Gerät entwickeln lassen. Mit diesen Bauteilen trägt ST dazu bei, dass Wandler einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Stromdichte und einen geringeren Standby-Strom erreichen. VIPer- und Altair-Familien Die neue Generation von AC-DC-Wandlern hat eine niedrigere Leistungsaufnahme und einen höheren Wirkungsgrad beides Punkte, die wichtig für die Stromversorgung der meisten netzgespeisten Geräte sind (Consumer- Geräte, Weiße/Braune Ware, Beleuchtung, Industriemärkte). Für AC-DC-Hilfsstromversorgung mit einer Leistung bis 30 W bietet STMicroelectronics zwei Familien monolithischer Wandler mit integriertem Leistungs- MOSFET und Controller in einem einzigen Gehäuse an. Die VIPerPlus-Offline-Wandler verfügen über einen 800-V-MOSFET mit hoher Avalanche- Festigkeit und vielen Funktionen, mit denen die Anzahl externer Komponenten reduziert und eine effiziente AC-DC-Wandlung gewährleistet werden kann. Die Bausteine erlauben eine sehr niedrige Leistungsaufnahme aus dem Netz, wenn sich das System im Standby-Modus befindet (unter 30 mw bei 265 V). Ein Konstantstrombetrieb mit einstellbarem Sollwert ermöglicht den Einsatz mit allen Netzspannungen in Schaltnetzteildesigns für Leistungen bis 30 W. Altair-ICs sind Wandler mit vollständiger Primärabtastung (ohne Optokoppler). Sie eignen sich für isolierte quasi-resonante Flyback- Konfigurationen mit einer Ausgangsleistung unter 10 W. Typische Anwendungen sind 52

49 AC/DC-Wandler aus der VIPerPlus-Familie Quelle: STMicroelectronics Hochvolt-Technologie kann diese Familie Halbbrücken-Topologien mit integrierten High-Side- und Low-Side-Treibern mit interner Bootstrap-Struktur unterstützen. Heute sind mehrere Optionen verfügbar, wie zum Beispiel ein großer Betriebstemperaturbereich für Outdoor-Anwendungen. Als Abrundung des Angebots an Dual-ended-Topologien ist der Controller L6591 speziell für asymmetrische Halbbrücken-Topologien gedacht, die für gewöhnlich in Hochleistungs-, Hochstromanwendungen verwendet werden. Schaltnetzteile für die Strommessung und Akkuladegeräte für Mobiltelefone und Netzadapter, die eine präzise Strom- und/oder Spannungsregelung benötigen. Das Design mit beiden Produktfamilien wird durch die edesignsuite ( unterstützt, ein sehr einfacher Simulator, mit dem der Entwickler in wenigen Schritten seine Schaltung entwickeln und deren Effizienz, Stabilität und verteilten Verluste beurteilen kann, und der eine Materialliste mitliefert. Leistungsfaktorkorrektur (PFC) Die PFC-Controller von STMicroelectronics arbeiten im Übergangsmodus (TM: Transition Mode, etwa bis 150 W) und im Continuous Conduction Mode (CCM, höhere Leistung). Sie sind für den Betrieb mit Weitspannungseingang geeignet. Für Systeme, bei denen sowohl Hochstromfähigkeit (die durch CCM gewährleistet wird) als auch die Möglichkeit des Übergangsmodus erforderlich ist, bietet STMicroelectronics eine dritte Lösung an, die auf einer eigenen patentierten Lösung beruht: die Fixed-off-Time- Methode (FOT). Sie basiert auf einer einfachen Modifikation des Standard-Übergangsmodus von PFC-Controllern und ist im neuen L4984D implementiert. Alle PFC-Controller für den Übergangsmodus (L656*-Familie) verfügen über einen internen Multiplikator, der den internen Klirrfaktor (THD: Total Harmonic Distortion) deutlich reduziert und dadurch Schaltnetzteile effizienter macht, so dass sie die Vorgaben von EN und anderen Bestimmungen zur Energieeinsparung einhalten. Diese Bauteile sind mit modernen Schutzfunktionen versehen, durch die Schaltnetzteile robuster und kompakter werden, da sie weniger externe Komponenten benötigen. Zu diesen Funktionen gehören Überspannungsschutz am Ausgang, Brownout-Erkennung, Schutz gegen Feedback-Disconnection und Sättigung der Induktivität. Der Hochspannungsanlauf des L6564H und des L6563H trägt zur Verbesserung des Wirkungsgrads im Standby-Modus von Schaltnetzteilen in Systemen bei, die keine Hilfsstromversorgung haben. PWM-Controller Das Portfolio von ST an Offline-Pulsweitenmodulator-Controllern (PWM) umfasst Current-Mode- und Voltage-Mode-PWMs sowie erweiterte PWMs, die gängige und ausgeklügeltere Schaltnetzteilanwendungen von 40 W bis 500 W abdecken, wie z.b. LED-Straßenbeleuchtung und andere Industriesegmente. Beide Produktfamilien unterstützen isolierte und nicht-isolierte AC-DC- und DC-DC- Stromversorgungen und verwenden die gängigsten Leistungs-Topologien, sowohl singleended als auch double-ended. Das ST-Portfolio an erweiterten Controllern umfasst primärseitige Controller, die für Hochleistungsanwendungen gedacht sind, bei denen herkömmliche Standardcontroller keine effektive Lösung darstellen. Sehr hohe Wirkungsgrade lassen sich durch Single-ended- Topologien (Flyback) mit fester Schaltfrequenz oder im quasi-resonanten Betrieb erreichen. Ein vollständiges Paket von On-Chip-Schutzfunktionen macht sehr robuste Lösungen mit Ausgangsleistungen bis 150 W mit Flyback- Topologie möglich. Die Hochspannungskomponente L6566H ist dank des 800-V- Hochspannungsanlaufs für Anwendungen geeignet, die mit dreiphasigem Netzstrom betrieben werden. Um herausragende Wirkungsgrade zu realisieren, bietet ST eine Reihe von HV-Resonanz-Controllern aus der L659x-Familie an. Dank der proprietären Transistoren und Gleichrichter zur Vervollständigung des Designs Führende Leistungstechnologien für Hochspannungs- und Niederspannungsanwendungen in Verbindung mit einem umfassenden Gehäusespektrum und innovativen Draht- Bond-Technologien ermöglichen ST viele Innovationen im Bereich der Leistungstransistoren. Das Portfolio von ST umfasst MOSFETs von 500 bis 1500 V, IGBTs mit Durchbruchspannungen zwischen 350 und 1300 V sowie ein großes Spektrum von Bipolar-Transistoren. Mehr als 30 Gehäusevarianten sind verfügbar, darunter auch Gehäuse mit dem weltweit besten Leitungswiderstand (R DSon ) pro Fläche für 650-V-LeistungsMOSFETS (0,029 Ω im TO- 247-Gehäuse). Sie zeichnen sich zudem durch verringerte Gate-Ladungen und Verlustleistungen aus, um die strengen Effizienzanforderungen einzuhalten. Ausgewählte Produktlinien sind mit einer Fast-Body-Diode ausgestattet, was zusätzliche Vorteile für die Stromversorgung bringt. STMicroelectronics hat für jeden Spannungsbereich den richtigen MOSFET, um Anwendungen wie Point-of- Load, Telekommunikations-AC-DC-Wandler, PFC und Automotive-Applikationen zu realisieren. STMicroelectronics bietet außerdem Schottky- und extrem schnelle Gleichrichterlösungen für alle Marktbedürfnisse an, angefangen mit der neuesten»m-serie«(schottky) mit verbesserten Avalanche-Werten und höheren Strömen in flachen PowerFLAT-Gehäusen. Für eine hocheffiziente Gleichrichtung oder Freilauffunktion verbessert die neue FERD-Familie (Field Effect Rectifier Diode) die Stromdichte von Wandlern. Für Stromwandler, bei denen Siliziumdioden an die Grenzen ihrer Betriebstemperatur und Stromdichte kommen, bieten ST-Bauteile aus Siliziumkarbid der ersten und zweiten Generation eine optimale Zuverlässigkeit. (st) 53

50 Silica AC/DC-Wandler ON Semiconductor Schaltregler mit hohem Wirkungsgrad bei geringen Lasten Die neuen Schaltregler NCP1072 und NCP1075 von ON Semiconductor bieten alles, was der Entwickler braucht, um ein robustes und kostengünstiges Schaltnetzteil (SMPS: Switch-Mode Power Supply) mit niedriger Leistungsaufnahme im Standby-Modus zu realisieren. Die Bausteine sind mit einem 700-V- MOSFET mit einem Durchlasswiderstand von 11 Ω ausgestattet. Damit können Stromversorgungen für eine Leistung von bis zu 10 W direkt aus dem Stromnetz realisiert werden. Eine integrierte Stromquelle liefert den nötigen Anlaufstrom, um die Stromversorgung in Gang zu bringen. Merkmale der NCP : Große Kriechstrecken zwischen den Hochspannungs-Pins Spitzenstrom: 250 ma (NCP1072) oder 450 ma (NCP1075) Interner 1-ms-Softstart Frequenz-Foldback-Betrieb für einen verbesserten Wirkungsgrad bei geringer Last Leistungsaufnahme ohne Last unter 50 mw Sowohl der NCP1072 als auch der NCP1075 zeichnen sich durch eine hohe Integration aus. So sind auf den Bausteinen beispielsweise Funktionen wie Softstart, Frequenz-Jittering zur Reduzierung von elektromagnetischen Störungen, Kurzschlusssicherung, Skip- Cycle-Betrieb, einen Sollwert für den maximalen Spitzenstrom sowie Rampenkompensation. Die Bausteine sind darüber hinaus mit einer internen Stromversorgung, dem Dynamic Self-Supply (DSS), ausgestattet, die Hilfswicklungen überflüssig macht. AC-Eingangsspannungserkennung Abschaltung bei Überhitzung Die Bausteine eigenen sich besonders für isolierte Hilfs/Standby-Stromversorgungen in Anwendungen wie Weiße Ware oder Smart-Meters. (st) Alle Varianten der neuen Leistungsschalter sind in DIP-7- oder SOT223-Gehäusen untergebracht Quelle: On Semiconductor Im Unterschied zu anderen monolithischen Lösungen sind die Bauteile der NCP107x-Familie leise: während des Betriebs mit normaler Last schalten sie an einer der möglichen fest eingestellten Frequenzen (65 khz, 100 khz oder 130 khz). Wenn weniger Ausgangsleistung erforderlich ist, wechselt das IC automatisch in den Frequenz-Foldback-Modus und erreicht damit einen ausgezeichneten Wirkungsgrad bei geringer Last. Wenn noch weniger Strom benötigt wird, schaltet er in den Skip-Cycle-Betrieb, um den Standby- Stromverbrauch auf einen Wert zu senken, der dem Leerlaufbetrieb entspricht. Weitere Schutzfunktionen beinhalten unter anderem einen Timer, um eine Überlast oder einen Kurzschluss zu erkennen, einen Überspannungsschutz mit Auto-Recovery und AC- Eingangsspannungserkennung. Um die Leistungsaufnahme im Standby-Modus noch weiter zu reduzieren, kann der Entwickler eine Hilfswicklung anschließen, um den DSS- Betrieb zu umgehen. Dadurch kann die Eingangsleistung unter 50 mw bei Netzspannung gesenkt werden. Die Familie wird bald durch 22-Ohm- (NCP- 1070/71) und 4,5-Ohm-Versionen (NCP- 1076/77) ergänzt, damit Entwickler auch die Leistungsbereiche von wenigen bis hin zu 25 W für europäische Stromnetze abdecken können. Alle Varianten sind in DIP-7- und SOT223- Gehäusen untergebracht und bieten Pin-zu- Pin-Kompatibilität mit der bestehenden NCP1010~15-Familie von ON Semiconductor, um die Migration zu erleichtern. (st) 54

51 PowerLab Power Reference Design Library The PowerLab library includes an interactive and powerful search engine for design engineers looking for a proven and tested solution to their power supply requirements. This interactive search tool allows engineers to find designs by application, topology, input type, input voltage or output voltage. Features The industry s most extensive collection of tested power management reference designs. Hundreds of power management designs for a wide range of applications and power conversion topologies. Reference designs include both isolated and non-isolated designs for lighting, telecommunication, computing, consumer electronics and more. Learn more, find answers and stay up to date The platform bar is a trademark of Texas Instruments TI

52 Silica DC/DC-Wandler Analog Devices Power-Management für die Stromversorgung von FPGAs Die heutigen modernen FPGAs zeichnen sich alle dadurch aus, dass sie mehrere Spannungen benötigen. Herkömmliche Stromversorgungen für diese FPGAs bedurften mehrerer diskreter Schaltregler und LDOs. In diesen diskreten Power-Designs lieferten die Schaltregler die hohen Core- Spannungen, während die LDOs die störungsempfindlicheren Taktgeber versorgten. Von Maurice O Brien * * Maurice O Brien ist Product Marketing Manager, Power Management Division, Analog Devices Nachdem die Endprodukte aber immer kleiner werden, wurden höher integrierte Power-Management-Lösungen entwickelt, um die Anforderungen an kleinere Leiterplattenfläche zu erfüllen. Diese neuen, hoch integrierten Power-Management-Komponenten sind mit mehreren Schaltreglern, LDOs und Supervisory/Watchdog-Timern ausgestattet und ermöglichen somit eine deutliche Größenreduktion, verringerte Kosten und eine kürzere Entwicklungszeit. Da die Entwicklungszyklen der Kunden zunehmend kürzer werden, wird es immer wichtiger, ein einziges Stromversorgungs-IC zu haben, das mehrere Versorgungsströme für ein FPGA erzeugt und einfach konfiguriert werden kann, so dass das Mehrkanal- IC in verschiedenen Applikationen/Konfigurationen schnell und einfach einsetzbar ist. So lassen sich die Entwicklungszeit und das Time to Market verkürzen. Die Vorteile von µpmus zur Stromversorgung von FPGAs sehen so aus: kosteneffektive Lösung; mit dem Baustein vereinfachen sich das Sequenzierung und Voltage-Tracking; kleiner Platzbedarf auf der Leiterplatte; rauscharmes, phasenverschobenes Schalten, reduzierte EMI; kein externes Synchronisierungssignal notwendig; einfach einzusetzen, umfangreiches Know-how zu Stromversorgungen ist nicht erforderlich; weniger Bauteile und verbesserte Zuverlässigkeit. Größe Durch die Integration mehrerer Abwärtsschaltregler, LDOs, Überwachungs- und Watchdog-Funktionsblöcke auf einem einzigen Chip lässt sich die Platinenfläche für die Stromversorgung deutlich verringern. Beim ADP5034 beispielsweise handelt es sich um einen Dual-Abwärtsregler mit 1,2 A, der mit zwei 300 ma LDOs in einem 24-LFCSP-Gehäuse ausgestattet ist. Der Baustein ermöglicht eine neue Generation hochintegrierter Regler mit mehreren Ausgängen, die nur sehr wenig Platz auf der Leiterplatte benötigt, weil er mehrere Schaltregler und LDOs in einem einzigen Gehäuse bereitstellt. Die integrierten Funktionales Blockdiagramm des ADP5041 1,2 A Abwärtsregler und dualer 300 ma LDO, Überwachung, Wächter und manueller Reset (links) und funktionales Blockdiagramm des ADP5034 dualer 3 MHz Abwärtsregler mit zwei 300 ma LDOs (rechts) Quelle: Analog Devices 56

53 Vorteile integrierter Mikro-PMUs Quelle: Analog Devices Schaltregler arbeiten mit einer Schaltfrequenz von 3 MHz, so dass sehr kleine Induktivitäten genutzt werden können, was sich sehr positiv auf die Gesamtgröße der Lösung auswirkt: Die Gesamtgröße der ADP5034-Lösung beträgt nur 72 mm 2. Einfache Handhabung Da die Entwicklungszyklen für neue Produkte immer kürzer werden, steigt der Bedarf an Power-Management-ICs, die einfach einzudesignen und gleichzeitig einfach zu modifizieren sind, so dass sie auch an kommende Anforderungen angepasst werden können. Der ADP5041-Regler mit mehreren Ausgängen ist mit einem 1,2 A Abwärtsregler, zwei 300 ma LDOs, einem Power-on-Reset- und einem Watchdog-Timer für hochzuverlässige Prozessorsysteme ausgestattet. Alle in dem Chip integrierten Regler haben dedizierte Enable-Pins (Aktivierungsanschlüsse), um höchst flexibel sein zu können. Denn so kann der Stromversorgungsentwickler jeden dieser drei Regler in Hardware ohne Software-Overhead aktivieren/deaktivieren und damit ein einfaches Sequenzieren der drei Versorgungsspannungen realisieren. Die Ausgangsspannung jedes der drei Regler wird mithilfe eines externen Widerstandsteilers eingestellt, so dass auch in diesem Fall der Stromversorgungsentwickler schnell und einfach die Ausgangsspannungen während des Prototypings, aber auch für neue Designs verändern kann. Die Kombination der einzelnen Enable-Pins mit über Widerstände programmierbaren Ausgangsspannungen für jeden einzelnen Regler hilft dabei, die Komplexität von Stromversorgungen und die dafür notwendige Entwicklungszeit zu reduzieren und somit schlussendlich neue Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Weniger Bauteile, mehr Zuverlässigkeit Die Blockdiagramme zeigen einen Vergleich zwischen einem diskreten Aufbau mit zwei 1,2 A Abwärtsreglern und zwei 300 ma LDOs und dem ADP5034 mit mehreren Ausgängen. Die diskrete Lösung braucht 22 Bauteile auf einer Platinenfläche von 97 mm 2. Ein Design mit dem ADP5034 benötigt hingegen nur 19 Komponenten und eine Platinenfläche von 72 mm 2. Das heißt, dass mit dem ADP5034 eine um 35 % kleinere Leiterplatte genutzt werden kann und dass die Kosten für die Bestückung von drei Komponenten wegfallen. Und das ist einiges, denn die Bestückungskosten für eine Komponente auf der Leiterplatte können leicht mal auf 3 Cents kommen, wenn die Kosten für Einkauf, Lagerhaltung, Bestückung und Test mitberücksichtigt werden. Hinzu kommt: Je mehr Komponenten auf die Leiterplatte montiert werden müssen, desto größer ist die Gefahr von Fertigungsfehlern. Wird also die Anzahl der zu bestückenden Komponenten gesenkt, sinken die Kosten für die Fertigung, und die Zuverlässigkeit des Fertigungsprozesses geht nach oben. Rauscharme Lösungen Ein dedizierter MODE-Pin an den Abwärtsschaltreglern kann bequem über einen GPIO- Port des Mikroprozessors gesteuert werden, was den Schaltregler zwingt, im konstanten PWM-Modus zu arbeiten. Dies kann notwendig sein, wenn die zu versorgende Schaltung (Transceiver, ADC, Audio) empfindlich auf Breitbandrauschen beim Burst-Betrieb eines Schalters bei geringer Last reagieren würde. Jeder LDO in dem Multi-Output-Regler verträgt eine Eingangsspannung zwischen 1,7 und 5,5 V. Der kleine Eingangsspannungsbereich des LDOs erlaubt es ihm, zusammen mit einem Buck-Regler eine Ausgangsspannung mit geringem Rauschen zu liefern. So kann der Buck-Regler beispielsweise als Vorregler genutzt werden, um einen effizienten Spannungsabfall vom 5 V Eingang zum 1,8 V Ausgang des Buck-Reglers zu generieren. Die 1,8 V werden dann wiederum an den Eingang des LDOs gelegt, um eine sehr rauscharme 1,2 V Ausgangsspannung zu erzeugen, so dass sehr empfindliche analoge Schaltungen hocheffizient mit anfänglich 5 V versorgt werden können. Die integrierten LDOs zeichnen sich durch eine hohe Störspannungsunterdrückung (PSRR) aus, das gilt selbst bei einem sehr kleinen Abstand zwischen Ein- (V in ) und Ausgangsspannung (V out ), und durch geringes Rauschen. Außerdem wurde das Übersprechen zwischen den Reglern minimiert. All diese Eigenschaften sind für die Stromversorgung von rauschempfindlichen Schaltkreisen von großer Bedeutung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass neue integrierte Power-Management-ICs wie der ADP5034 und der ADP5041 die Komplexität und Größe von Power-Management-Designs für FPGAs beträchtlich reduzieren. Details zu den integrierten Power-Management-Lösungen von Analog Devices erhalten Sie unter: (st) 57

54 Silica DC/DC-Wandler Maxim Integrated Effizienter DC-DC-Wandler für die Erzeugung der APD-Vorspannung Ein Aufwärtswandler wird von einem PWM- Controller gesteuert. Das PWM-Signal wird dafür verwendet, den Transistor Q1 zu schalten. Dadurch entstehen bei jeder Schaltperi- Optikfaser-Kommunikationssysteme nutzen Lawinen-Photodioden (APDs) zur Überwachung des Datenverkehrs auf der Faser. Eine APD benötigt eine hohe Vorspannung, um zu funktionieren, gängig sind hier 76 V. Diese hohe Vorspannung wird mit DC-DC- Aufwärtswandlern erzeugt, die von pulsweitenmodulierten (PWM) Controllern gesteuert werden. Von Neil Longgood * Abbildung 2. Induktorstrom und -spannung Quelle: Maxim Integrated Abbildung 1. Schaltbild eines DC-DC-Wandlers für die Erzeugung der APD-Vorspannung Quelle: Maxim Integrated * Neil Longgood ist Principal Member of Technical Staff bei Maxim Integrated DC-DC-Wandler haben von Natur aus einen schlechten Wirkungsgrad. Jedes Bauteil des Systems hat nicht-ideale Anteile, die zum Effizienzverlust beitragen. Die Arbeitspunkte von PWM-Controllern wirken sich ebenfalls auf den Wirkungsgrad des Wandlers aus. In diesem Beitrag werden die Grundfunktionen eines Aufwärtswandlers beschrieben. Darüber hinaus wird erklärt, wie man sowohl die Drossel- als auch die Schaltfrequenz wählt, um den Wirkungsgrad eines Aufwärtswandlers zu maximieren. Und er behandelt weitere Komponenten, die den Wirkungsgrad des Wandlers verbessern. Danach wird ein Beispiel-DC-DC-Wandler vorgestellt, der einige dieser Verbesserungen aufweist. Funktion eines Aufwärtswandlers ode eine Lade- und eine Entladephase. Abbildung 2 zeigt den Drosselstrom und die Drosselspannung während der Lade- und während der Entladephase. Die Ladephase beginnt, wenn der Transistor Q1 eingeschaltet und somit die Eingangsspannung (V IN ) auf die Drossel L1 gelegt wird. Die Diode D1 verhindert, dass sich der Kondensator C1 über Q1 an Masse entlädt. Weil die Eingangsspannung als Wechselstrom vorliegt, steigt der Drosselstrom linear an (siehe Abbildung 2). Die Gleichung für den Drosselstrom lautet: (1) Die in der Drossel während der Ladephase gespeicherte Energie ergibt sich wie folgt: (2) I PK ist der Spitzenstrom, der in der Drossel fließt. Dieser Strom tritt am Ende der Ladephase auf. Mit Gleichung 1 kann der Spitzenstrom wie folgt berechnet werden: 58

55 (3) (7) Wobei D und T der Arbeitszyklus (%) und die Zeitdauer (s) der Schaltfrequenz sind. Gleichung 3 lässt sich in Gleichung 2 einsetzen, um die während der Ladephase in der Drossel gespeicherte Energie zu berechnen: (4) Die Entladephase beginnt, wenn Q1 ausgeschaltet wird. Während der Entladephase wird die in der Drossel gespeicherte Energie an den Ausgang übertragen. Diese Energie wird deshalb übertragen, weil der Drosselstrom auch nach dem Abschalten von Q1 weiterfließt. Der Strom fließt jetzt durch Diode D1 an den Ausgangskondensator C1. Damit der Drosselstrom in die Diode fließt, muss die Spannung bei V L größer als die Spannung bei V OUT sein. Abbildung 2 zeigt die große Spitze in der Spannung bei V L, wenn der Drosselstrom beginnt, durch die Diode zu fließen. Jetzt, da eine große negative Spannung in der Drossel vorhanden ist, kehrt sich der Anstieg des Stroms durch die Drossel um. Wegen der hohen Spannung in der Drossel fällt der Strom in der Drossel schnell auf null ab. Sobald die gesamte in der Drossel gespeicherte Energie an den Ausgang abgegeben wurde, fällt der Drosselstrom auf null ab. Da kein Strom mehr vorhanden ist, um die Spannung bei V L aufrechtzuerhalten, fällt dieser Knoten wieder auf die Eingangsspannung V IN ab. Der Drosselstrom während der Entladephase ergibt sich wie folgt: (5) Will man einen Aufwärtswandler entwickeln, muss man als Erstes die gewünschte Ausgangsspannung und den von der Last benötigten maximalen Strom bestimmen. Die vom Aufwärtswandler verfügbare Energie muss größer sein als die gewünschte Ausgangsenergie und alle kombinierten Verluste in der Schaltung. Der Wirkungsgrad des Wandlers wird durch dargestellt. Ein geeigneter Anhaltspunkt für die Berechnung der Bauteile und Einstellungen für die Schaltung ist ein Wirkungsgrad von 0,4 bis 0,75. Die in jeder Zeitperiode erforderliche Energie ist: (6) Stellt man die Eingangsenergie (Gleichung 4) und die Ausgangsenergie (Gleichung 6) gleich, so erhält man folgenden Ausdruck: Anhand von Gleichung 7 kann der nötige Drosselwert berechnet werden: (8) Die Effizienz in einem DC-DC-Wandler maximieren Es gibt viele Verlustquellen in einem DC-DC- Wandler, die die Effizienz des Systems senken. Diese Verluste können in zwei Gruppen eingeteilt werden: Effizienzverluste aufgrund eines hohen Drosselstroms und Schaltverluste, die jedes Mal auftreten, wenn der Schaltkreis zwischen Lade- und Entladephase umschaltet. Wir werden nacheinander die beiden Verlustarten behandeln. Drosselstrom Es gibt drei Hauptquellen für Effizienzverluste, die durch Drosselstrom verursacht werden. Die zwei wichtigsten Quellen sind der Drain- Source-Widerstand des Transistors, während er Strom führt, und der Gleichstromwiderstand der Drossel. Beide erhöhen den Gleichstromwiderstand, der sich dem Drosselstrom entgegenstellt, nehmen Eingangsleistung auf und reduzieren die Spannung, die während der Ladephase an der Drossel liegt. Beim Entladen der Drossel über der Diode kommt es ebenfalls zu Verlusten, die proportional zum Drosselstrom sind. Der Drosselstrom kann bei einem DC-DC-Wandler reduziert werden, indem man die Größe und die Ladezeit der Drossel erhöht. Die Größe und die Ladezeit der Drossel können solange verändert werden, wie die Drossel die gleiche Energiemenge speichert und in jeder Zeitperiode an den Ausgang abgibt. Dies wird im folgenden Beispiel illustriert. Abbildung 3 zeigt drei Drosseln mit Induktivitäten von 1, 2 und 4 Henrys, bei denen jeweils 1 V anliegt und die so lange laden, bis sie 2 Joule Energie gespeichert haben. Die 4-H-Drossel braucht doppelt so lange, oder zweimal den Arbeitszyklus, wie die 1-H-Drossel, um die gleiche Energiemenge von 2 Joule zu speichern. Abbildung 4 zeigt den Strom, der während des Aufladens in diesen drei Drosseln fließt. Man sieht, dass die 1-H-Drossel 2 A Strom benötigt, die 4-H-Drossel aber nur 1 A. Dies zeigt, wie sich der Drosselstrom verringert, wenn Abbildung 3. Im Induktor gespeicherte Energie Quelle: Maxim Integrated man eine größere Drossel wählt und den Arbeitszyklus eines DC-DC-Wandlers verlängert. Schaltverluste Die zweite wichtige Quelle für Effizienzverluste ist der Schaltverlust, der bei jedem Schaltzyklus des DC-DC-Wandlers auftritt. Die deutlichsten Schaltverluste werden durch parasitäre Kapazitäten in der Schaltung verursacht. Jedes Mal, wenn die Drossel über die Diode entladen wird, muss der Knoten an der Anode der Diode auf eine Spannung aufgeladen werden, die höher ist als V OUT. Dieser Knoten hat die Drain-Source-Kapazität des Transistors, die Kapazität der Anode sowie jegliche parasitäre Kapazität der Leiterplatte. Es gibt noch andere Quellen für Schaltverluste. Schaltverlust tritt zu Beginn jedes Ladezyklus auf, wenn die Gate-Kapazität des Transistors aufgeladen werden muss, bevor sich der Transistor einschaltet. Kernverlust in der Drossel ist eine weitere Ursache für Energieverlust. Wenn die Schaltfrequenz steigt, nehmen auch die Kernverluste in der Drossel zu. Die Höhe dieser Verluste hängt vom Material des Drosselkerns und seiner Größe ab. Schaltverluste treten auch während der Sperrverzö- Abbildung 4. Induktorstrom Quelle: Maxim Integrated 59

56 Silica DC/DC-Wandler Abbildung 5. Wirkungsgrad einen DC-DC-Wandlers, der aus 3,3 V 76 V erzeugt Quelle: Maxim gerung der Diode auf. Während dieser Zeit darf Ladung, die am Ausgang gespeichert wurde, durch die Drossel fließen. Schaltverluste in einem Wandler treten bei jedem Schaltvorgang auf. Diese Verluste sind unabhängig vom Spulenstrom, aber direkt proportional zur Schaltperiode. Daher ist es von Vorteil, die längste Schaltperiode zu wählen, bei der das System noch ordnungsgemäß funktioniert. der Drossel kleiner als der erforderliche Spitzenstrom des Wandlers ist, kann der Wandler nicht die nötige Ausgangsleistung liefern. Auswahl der Diode vier Parameter müssen bei der Auswahl einer Diode für einen DC-DC- Wandler berücksichtigt werden. Erstens muss die Durchbruchspannung der Diode in Sperrrichtung höher sein als die Spannung am Ausgang des Wandlers. Zweitens muss die Diode mit dem Vorwärtsstrom arbeiten können, der von der Spule durch die Diode geleitet wird. In einem DC-DC-Wandler kann dieser Strom (I PK ) mehrere hundert ma hoch sein. Drittens sollte die Vorwärtsspannung so klein wie möglich sein, um die Diodenverluste in Durchlassrichtung zu minimieren. In manchen Anwendungen können sogar Schottky-Dioden genutzt werden, weil sie eine viel kleinere Vorwärtsspannung haben. Und viertens - wählt man eine Diode mit einer kurzen Sperrverzögerungszeit, wird die Ausgangsladung begrenzt, die wieder an den Eingang zurückfließt, wenn die Diode vom stromführenden in den nicht stromführenden Zustand schaltet. Auswahl des Transistors der gewählte Transistor muss Drain-Source-Spannungen aushalten können, die auftreten, wenn sich der Drossel durch die Diode entlädt. Der Nenn- Drainstrom des Transistors muss größer sein als der Spitzendrosselstrom. Um Schaltverluste zu minimieren, muss ein optimaler Transistor auch niedrige Gate-Source- und Drain- Source-Kapazitäten haben. Beispiel für verbesserte Wirkungsgrade in einem DC-DC-Wandler Abbildung 5 zeigt den Wirkungsgrad als Funktion des Laststroms für einen DC-DC-Wandler auf Basis des PWM-Controllers DS1875. Der Graph zeigt, dass bei einer Erhöhung der Induktivität, die den Arbeitszyklus verlängert, die Effizienz verbessert wurde. Er zeigt ebenfalls, dass eine längere Schaltperiode eine höhere Effizienz bewirkte, da die Schaltverluste vermindert wurden. Der PWM-Controller DS1875 hat vier Schaltfrequenzen, mit denen er arbeiten kann: 131,25 khz, 262,5 khz, 525 khz und 1050 khz. Dies ermöglicht einen besseren Wirkungsgrad des Wandlers. Der Beispielwandler nutzt einen BSSS123 n-kanal- FET, eine 1N4148-Diode und einen 0,1-µF- Ausgangskondensator. (st) Kompromisse Die zwei Methoden, die hier empfohlen werden, um den Wirkungsgrad des Wandlers zu erhöhen, bedingen eine größere Drossel. Um den Drosselstrom zu reduzieren, wird empfohlen, eine größere Spule und eine längere Einschaltdauer zu verwenden. Um die Schaltverluste zu senken, wird eine längere Zeitdauer empfohlen. Wird eine längere Zeitdauer verwendet, ist ebenfalls eine größere Drossel erforderlich. Die Verwendung einer größeren Drossel ist mit zwei Nachteilen verbunden. Der erste ist die physische Größe der Drossel. Eine größere Drossel macht möglicherweise ein größeres Gehäuse erforderlich. Der zweite ist der Gleichstromwiderstand der Drossel. Bei einem gegebenen Gehäuse geht mit einer Erhöhung der Induktivität auch eine Erhöhung des Gleichstromwiderstands einher. Vergrößert man das Gehäuse, nimmt der Gleichstromwiderstand ab. Die Auswahl von effizienten DC-DC-Wandler-Bausteinen: Auswahl der Drossel neben den bereits erwähnten Drossel-Parametern gibt es noch eine Reihe weitere, die berücksichtigt werden müssen. Am kritischsten ist der Sättigungsstrom der Drossel. Wenn der Sättigungsstrom Infineon Technologies Synchroner DC/DC- Buck-Controller Der TLF51801ELV von Infineon Technologies ist ein synchroner Step- Down-Regler mit einstellbarer Ausgangsspannung. Der Baustein kann einen Ausgangsstrom von 2 bis 10 A bereitstellen, indem er externe High-Side- und Low-Side-Schalter mit Tastverhältnissen von über 99% treibt. Die Schaltfrequenz kann innerhalb von 100 bis 700 khz eingestellt werden. Der Baustein lässt sich auch mit einem externen Taktgeber synchronisien. Er verfügt darüber hinaus über eine ENABLE-Funktion für sehr geringe Abschaltströme und bietet zwei verschiedene Optionen für die Strombegrenzung (über einen externen Nebenschlusswiderstand oder über den R DSon des High Side-Schalters). Der TLF51801ELV ist in einem thermisch verbesserten, RoHS-kompatiblen SSOP-14-Gehäuse mit Exposed Pad erhältlich. Er zeichnet sich durch folgende Hauptmerkmale aus: einstellbare Ausgangsspannung (±2%) treibt zwei externe Schalter (n/n-mos) für Lasten von 2 A bis 10 A Tastverhältnis von über 99% zwei Optionen für die Strombegrenzung: ENABLE für niedrigen Abschaltstrom (Iq unter 2 µa) Schaltfrequenz: 100 bis 700 khz Sync-Eingangs- und Frequenzanpassung Die Bausteine können in Infotainment und Cluster-Anwendungen sowie als General- Purpose-Versorgung oder Vorregler eingesetzt werden. (st) 60

57 SiC-TeChnologie der 2. generation Hohe Effizienz Hohe Zuverlässigkeit Geringer Stromverbrauch Als führender Anbieter zuverlässiger SiC-Technologie bietet ROHM Semiconductor eine umfassende Palette hochzuverlässiger und hocheffizienter SiC-Leistungshalbleiter der zweiten Generation an ausgelegt für hohe Schaltfrequenzen, hohe Temperaturen sowie hohe Spannungsfestigkeit. SiC-Schottkydioden der 2. Generation SiC-MOSFETs der 2. Generation Niedrigster V F -Wert auf dem Markt SCT-Serie SCH-Serie Gehäuse 600V 1200V TO220AC 6-20A 5-20A Typ SCT2080KEC SCH2080KEC Gehäuse TO247 TO247 TO220FM 6-20A BV DSS 1200V 1200V TO247 20, 40A 10-40A R ON 80 mω 80 mω D2PAK 6, 8, 10A SBD integriert 100% SiC Power Modul BV DSS I D max Typ Topologie 1200V 120A BSM120D12P2C005 2 in V 180A BSM180D12P2C101 2 in 1, nur MOS Abmessungen (ohne Anschlüsse): 45,6 x 122 x 17 mm Anwendungsbeispiel: Der isolierte Gatetreiber BM6103FV-C von ROHM ermöglicht zusammen mit den SiC-MOSFETs und SiC- Schottkydioden von ROHM das Design kompakterer, sparsamer Wechselrichter mit hohen Schaltfrequenzen. Technology for you Sense it Light it Power it!

58 Silica DC/DC-Wandler NXP Semiconductors Höchste Effizienz und Leistungsdichte für Gleichstrombereitstellung Angefangen bei batteriebetriebenen Geräten bis hin zu industriellen Anwendungen besteht der fortwährende Kampf um die Erhöhung von Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. NXP Semiconductors hat mehrere Durchbrüche sowohl in der Silizium- als auch der Gehäusetechnik erzielt, die aus Sicht des Systems zu einem deutlich besseren Gesamtwirkungsgrad führen. Von Philippe Rangheard * LDOs werden weithin für ihre rauscharmen Leistungen in HF- oder Sensor-Anwendungen geschätzt, in denen Kleinsignale gemessen werden, die nicht durch die Stromversorgung gestört werden sollten. NXP bietet eine große Auswahl an LDOs mit hohem PSRR (LD68x5), niedriger Dropout- Spannung (LD68x6) und kleinen Ruheströmen (LD68x3), die sich in unterschiedlichen Lastpunktkonfigurationen einsetzen lassen. * Philippe Rangheard ist EMEA Regional Marketing Director Automotive & Standard PowerMOS NXP Semiconductors Andere einfach zu implementierende Lösungen sind integrierte DC/DC-Wandler. So bietet zum Beispiel die NXP-DC6M4/5/6-Familie den Vorteil eines Hochfrequenz-DC/DC- Abwärtswandlers (6 MHz) mit hoher Leistung und geringer Baugruppengröße (1,0 x 1,4 mm). Die 6-MHz-Schaltfrequenz gestattet die Nutzung von kleinen Induktoren mit nur 470 nh, um Platinenplatz einzusparen. Ein weiterer Hauptvorteil besteht in den sehr geringen Ausgangsspannungs-Welligkeiten von nur 7 mv. Die höchste Optimierungsstufe für Schaltnetzteile ruht auf diskreten Hochleistungs- PowerMOS. Die größte Herausforderung besteht hierbei in der Reduzierung des Leitungswiderstands (R DSon ), der Gate-Ladung sowie der parasitären Induktivitäten. NXP hat auf diese Anforderungen bereits mit den Produktfamilien Trench6 und NextPower reagiert, die sich schon seit Jahren durch einen R DSon von weniger als 1 mohm auszeichnen. Die Trench- 6-Siliziumtechnologie von NXP ermöglicht einen R DSon von typisch 0,9 mohm bei Vgs = 10 V (PSMN1R2-25YL). Die neuesten Bausteine eignen sich hervorragend für eine Reihe anspruchsvoller Anwendungen, einschließlich Motorsteuerung und hocheffiziente Synchron-Abwärtswandler. Trench 6 zeichnet sich darüber hinaus durch eine niedrigere Gate-Ladung (Qg) und einen niedrigeren Gate-Widerstand (Rg) aus. Hierdurch eignen sich die Bausteine für effiziente Power-Management-Anwendungen mit Schaltfrequenzen bis 1 MHz. Die NextPower-Familie bietet eine einzigartige Balance zwischen den sechs wichtigsten Eigenschaften, die für die modernsten Designs mit hohen Wirkungsgraden und hoher Zuverlässigkeit entscheidend sind. Mehr Leistung, weniger Kompromisse. Viele Hersteller konzentrieren sich nur auf die Optimierung des Leitungswiderstands und der Gate-Ladung. Wenn die Gate-Ladung sinkt, werden die Verluste aufgrund von Qoss und Qgd signifikanter. NextPower basiert auf einer Superjunction-Technologie, um eine optimale Balance zwischen niedrigem RDSon, niedriger Qoss, niedriger Qg (total) und Qgd für eine optimale Schaltleistung zu erreichen. NextPower bietet einen sehr großen SOA-Bereich (Safe Operating Area), während eine niedrige Qoss die Verluste zwischen Drain und Source reduziert. NextPower zeichnet sich darüber hinaus durch einen sehr niedrigen RDSon aus, so dass Typen mit einem RDSon von weniger als 1 mohm sowohl bei 25 V als auch bei 30 V zur Verfügung stehen. Als einen weiteren Schritt stellt NXP nun die ersten drei Bausteine (PSMN4R0-30YLD, PS- MN6R0-30YLD, PSMN6R1-30YLD) einer neuen Superjunction NextPower-Trench-9-Plattform vor, deren Zellenabstand um über 10% gegenüber der letzten Plattform reduziert wurde. Der optimierte Zellenabstand und das RESURF (REduced SURface Field) haben darüber hinaus die Gate-Ladung verbessert, während eine intelligente Prozessabstimmung zur Absorption parasitärer Induktivitätsenergie eine Optimierung der Ausgangskapazität und eine Reduzierung von Schaltstromspitzen ermöglicht. Darüber hinaus wurden Schottky-ähnliche Leistungen gemessen, ohne dass die mit der Schottky-Technologie verbundenen Nachteile zum Tragen kommen. Diese drei neuen Produkte sitzen im LFPAK56-Gehäuse (Power- SO8) mit Kupferclip, das sich durch verringerte Abstände und parasitäre Eigenschaften auszeichnet, während gleichzeitig eine homogene Stromverteilung realisiert wurde. Außerdem wurde die thermische Leistungsfähigkeit im Vergleich zu anderen PowerSO8-Gehäusen, die Draht- oder Bändchen-Bonden nutzen, deutlich verbessert. Insgesamt ermöglicht die aktuellste NXP- Plattform eine Reduzierung der VDS-Impulsspitzen um mehr als 20% und der VGS- Störimpulse um mehr als 70%. NXP wird in den nächsten Monaten zahlreiche weitere Produkte mit dieser neuen Technologie (wie z.b. den LFPAK33) und Spannungsbereichen von 25 bis 40 V vorstellen. Darüber hinaus wird parallel dazu eine weitere HV-Plattform (NextPower T8 100 V) entwickelt, mit der das derzeitige Produktspektrum mit Bausteinen für höhere Spannungen erweitert wird, wobei ein R DSon von ca. 3 bis 5 mohm und eine geringe Sperrverzögerungsladung je nach Gehäuse möglich sind. (st) 62

59 Renesas Electronics Schnelle POL-Wandler im kleinen Gehäuse Renesas Electronics hat die RAA20770X-Serie von Mini-POL-Wandlern (Point of Load) für ein großes Anwendungsspektrum entwickelt, einschließlich PCs, Server, Industrieapplikationen, Büroautomatisierung und Netzwerkausrüstung. Die RAA20770X- Serie erzielt branchenweit den höchsten Grad an Miniaturisierung und die höchste Leistungsdichte. Die sechs neuen Bauteile der RAA20770X-Serie ermöglichen eine hocheffiziente Stromumwandlung bei normaler Last typ. 90 % der Zeit, sie vollziehen aber auch schnell die häufigen Wechsel in den Low-Power-Mode. Somit reduzieren sie den Gesamtstromverbrauch im System. Darüber hinaus sind die Bauteile der RAA20770X-Serie rund 75% kleiner als frühere Renesas-Produkte. Sie sitzen in so genannten Wafer-Level-Chip-Size-Gehäusen, die mehr oder minder die gleiche Größe haben wie der Die selbst. Da keine Drahtverbindungen im Gehäuse notwendig sind, sinkt der Verdrahtungswiderstand, was ebenfalls seinen Teil zu einer effizienteren Spannungsumwandlung beiträgt. Die RAA20770X-Serie sind die ersten Bauteile mit diesem hohen Maß an Integration in einem derart kleinen Gehäuse. Sie tragen dank ihrer um 75% reduzierten Fläche zur System-Miniaturisierung bei. So hat z.b. der RAA207701GBM mit einem Strom- Rating von maximal 10 A eine Gehäusegröße von nur 2,7 x 3,4 mm. Darüber hinaus ist der Wärmewiderstand zwischen Gehäuseoberfläche und Chip-Junction-Bereich bei lediglich 1 K/W und ermöglicht so in Verbindung mit einem Kühlkörper und Luftstrom ein Design mit hoher Wärmeabstrahlung. Längere Batterielaufzeiten: Bauteile der RAA20770X-Serie nutzen eine Constant-on- Time-Steuerung. In stromsparenden Betriebsmodi mit geringen Lasten zeichnen sich die Bausteine durch eine Leistungsaufnahme von nur 0,5 µw im Standby-Modus aus. Die Constant-on-Time-Steuerung bietet auch den Vorteil einer schnellen Reaktionsfähigkeit. Zum Beispiel kann der Wandler auch dann sofort reagieren, wenn schnelle Stromanstiege auftreten. Das ist beispielsweise der Fall, wenn ein elektronisches Gerät von einem energiesparenden Betrieb in den Normalbetrieb wechselt. Dann reagiert der Wandler sofort, indem er die Betriebsfrequenz erhöht. Einfache Entwicklung: Bauteile der RAA20770X-Serie sind mit den für POL- Wandler erforderlichen Schutzfunktionen gegen beispielsweise Überstrom, Überspannung und Überhitzung ausgestattet. Dank der monolithischen Integration ermöglichen diese Bauteile sichere, flexible und zuverlässige Stromversorgungen mit einer minimalen Anzahl externer Komponenten, was die Entwicklung erleichtert und die Bauteillisten verkürzt. Darüber hinaus können die Ausgangsspannung und die Betriebsfrequenz verändert werden, um sie an die Anwendungen anzupassen, für die die Bauteile eingesetzt werden, sodass die nötige Flexibilität für ein großes Anwendungsspektrum gegeben ist. Stromversorgung mit nur einer Spannung: Die neuen Bauteile RAA207703GBM, RAA207704GBM und RAA207705GBM enthalten einen 5-V-LDO, der die vom Controller der Stromversorgung intern benötigten 5 V bereitstellen kann, so dass keine externe Spannungsversorgung mehr nötig ist. So kann das System mit nur einer einzigen Spannung arbeiten, die es zum Beispiel aus einer 12-V- Versorgung bezieht. Neben dem Controller und Treibern sind auf der RAA20770X-Serie auch zwei Leistungs- MOSFETS auf dem Chip integriert, die ideal für POL-Wandler sind, die eine Eingangsspannung von 5 V oder 12 V auf 1 V oder 3,3 V umwandeln. Die Bausteine können eine hocheffiziente Stromumwandlung vom Niederstrombereich zum Hochstrombereich realisieren mit einem Wirkungsgrad von 89% bei 10 ma, 95% bei 4 A und 92% bei 10 A. Diese Effizienz bei der Stromumwandlung trägt zu einem niedrigeren Gesamtstromverbrauch der Endprodukte bei. (st) SJ MOSFET und Mini-POL erhöhen den Wirkungsgrad und senken die Kosten Quelle: Renesas Electronics 63

60 Silica DC/DC-Wandler Microchip Technology Vereint das Beste zweier Welten Mithilfe eines traditionellen analogen Regelkreises regelt der MCP19111 von Microchip Technology die Leistung eines synchronen DC/DC-Abwärtswandlers mit einem Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 32 V. Darüber hinaus ist auf dem Chip ein Core aus Microchips PIC-MCU-Familie der Mittelklasse integriert. So kann der Entwickler die Betriebsparameter wie Start-up- und Shut-down-Profile, das Maß an Schutz und Fehlerbehandlungsprozeduren seinen Bedürfnissen anpassen. Die MCP19111-MCU ist in einem platzsparenden 28-Pin-QFN-Gehäuse mit einer Größe von 5 x 5 mm untergebracht und mit einem synchronen MOSFET- Treiber, einem Linearregler und 4-KW-Flash (KWords) ausgestattet. Für ein vollwertiges Power-Management-System hat Microchip eine schnelle MOSFET-Reihe entwickelt, die für die Nutzung mit dem MCP19111 optimiert wurde. Zu der Reihe gehört die MCP870xx-Familie mit 25-VDSS-Power-MOSFETs (Logic-Level), die verschiedene Verhältnisse zwischen niedrigstem RDSon (Leitungswiderstand) und gesamter Gate-Ladung (Qg) abdeckt und somit die besten FOM-Werte (Figure of Merit) bietet, abhängig von der Topologie, in der der Schalter verwendet wird. Diese MOSFETs stehen in einem 5 x 6 mm und einem 3,3 x 3,3 mm großen 8-Pin-PDFN-Gehäuse zur Verfügung und entsprechen somit dem sehr kleinen Formfaktor des MCP19111-Leistungsreglers. Dank der digital gesteuerten Überwachung des Power-Managements ist der Baustein über die Registereinstellungen des Controllers konfigurierbar, so dass externe Hardware weder hinzugefügt noch modifiziert werden muss. Die 8-Bit-MCU des MP19111 mit geringem Energiebedarf führt mit Leichtigkeit alle nötigen Überwachungsfunktionen aus. Da die Überwachung programmierbar ist, kann der Entwickler für seinen Regler die Feedbackund Regelsignale skalieren, kalibrieren und feineinstellen, den Wirkungsgrad optimieren, den analogen Bereich schützen und einige etablierte PMBus-Befehle nutzen. Interne Hilfsspannungsversorgung Abb. 2 zeigt ein Beispiel des MCP19111 in einem synchronen Abwärtswandler für Ausgangsspannungen von 0,8 bis 3,3 V und bis zu Abb. 1. Das Blockschaltbild des MCP19111 zeigt den integrierten MCU und Regler-IC. Quelle: Microchip Technology 25 A Ausgangsstrom. Die eine 5-V-Spannung versorgt die internen Analogschaltungen. Am VDD-Pin sitzt die zweite 5-V-Spannungsversorgung, die die MCU versorgt. Dadurch reduzieren sich die Gesamtkosten und der Platinenplatz, der benötigt wird, wenn MCUs in Leistungswandlern verwendet werden. MOSFET-Auswahl und Topologie Die internen Gate-Treiber können zwei externe N-Channel-MOSFETs in einer synchronen Buck-Topologie treiben. Das Gate des Floating-MOSFETs wird mit dem HDRV-Pin verbunden. Die Source des MOSFETs wird mit dem PHASE-Pin verbunden. Der HDRV-Pin- Quelle- und Senkstrom ist einstellbar. Ein gesetztes Bit in einem internen Register erlaubt der High-Side einen Quelle/Senkstrom von 2 A peak. Wird das Bit gelöscht, beträgt der Quell- und Senk-Spitzenstrom 4 A. Das Low- Side-MOSFET-Gate ist mit dem LDRV-Pin verbunden, die Source hängt am PGND-Anschluss. Die Treiberstärke des LDRV-Pins ist nicht konfigurierbar. Dieser Pin kann einen Source- Strom von 2 A ziehen, der Spitzenwert für den Senkstrom liegt bei 4 A. Das hilft dabei, den Low-Side-MOSFET ausgeschaltet zu halten, wenn der High-Side-MOSFET einschaltet. Der erforderliche Strom, um den externen MOSFET zu treiben, berechnet sich wie folgt: I DRIVE = [ QG(HIGH) + QG(LOW) ] fsw mit IDRIVE = Treiberstrom in A, QG(HIGH) = gesamte Gate-Ladung des High-Side-MOSFET in nc, QG(LOW) = ges. Gate-Ladung des Low-Side- MOSFET in nc, fsw = Schaltfrequenz in MHz Microchip bietet ein kostenloses Excel-basiertes Kalkulations-Tool zur Bestimmung der gesamten Verluste der synchronen Buck- 64

61 Abb. 2. Typische MCP19111-Anwendung betreibt zwei externe Synchron-MOSFETs. Quelle: Microchip Technology Wandler-Topologie, so dass das Verhältnis zwischen Durchlasswiderstand RDS(on) und gesamter Gate-Ladung QG definiert werden kann sowie die gesamte erreichbare Effizienz hinsichtlich Kern- und ESR-Verlusten. Optimierung des Wirkungsgrads Es kommt zu einer Totzeit des synchronen MOSFET, wenn ein Treibersignal auf»low«und das komplementäre Treibersignal auf»high«geht. Der MCP19111 kann die Totzeiten der High-Side- sowie der Low-Side-Treiber unabhängig voneinander anpassen, einfach über Registereinstellungen, die 4-ns-Schritte ermöglichen. Der MCP19111 kann den ganzen Synchrontreiber ausschalten oder lediglich eine Seite des Synchrontreibers. Eine Registereinstellung schaltet den gesamten Synchrontreiber aus, wenn die HDRV- und LDRV- Signale auf»low«und der PHASE-Pin auf Floating gesetzt sind. Wird das Disable-Bit gelöscht, ist ein normaler Betrieb möglich. Diese Flexibilität kann zur Optimierung der Gesamteffizienz des Wandlers bei unterschiedlichen Laststufen genutzt werden. Optimierung des Gesamtwirkungsgrads Eine spezifische Funktion in der Peripherie, die als»relative Efficiency Measurement«bezeichnet wird, kann über Registereinstellungen aktiviert werden. Bei Aktivierung gibt die Peripherie einen Wert des aktuellen Tastverhältnisses des High-Side-Schalters an. Dieser Wert kann zur Optimierung der Totzeit zwischen High- und Low-Side-Schalter genutzt werden. So lassen sich die Kern- und Diodenverluste auf ein Minimum reduzieren. Mit Hilfe dieser Technik sollen interne Daten über Eingangsspannung, Ausgangsspannung und Ausgangsstrom zur Bestimmung des Dauerbetriebs verwendet werden. Wenn die Betriebsbedingungen konstant sind, wird die Totzeit manipuliert, während das Tastverhältnis überwacht wird. Abbildung 3 zeigt ein typisches Testergebnis, bei dem das Tastverhältnis (rote Linie) bei etwa 8 ns ein Minimum zeigt. Mit diesen Einstellungen zieht die Topologie die geringste Energiemenge vom Bus, um eine konstante Ausgangsleistung bei höchster relativer Effizienz zu gewährleisten. Links davon steigt das Tastverhältnis, da die Schalter langsam in einem unbedenklichen, aber klar messbaren Shoot-Through-Zustand (beide MOSFETs gleichzeitig geschlossen) laufen. Auf der rechten Seite wird die Totzeit zu lang, und die Kern- und Freilaufdiodenverluste (bzw. die Body-Diodenverluste des Low- Side-MOSFET) nehmen zu. Die HDRV/LDRV-Schaltfrequenz kann über die Register eines digitalen Timer-Moduls von 100 khz bis 1,6 MHz eingestellt werden. Die Registereinstellungen bestimmen außerdem die Ausgangsspannung, so dass externe Widerstandsteiler zur Einstellung der Ausgangsspannung überflüssig sind. Des Weiteren enthält der MCP19111 einen Differentialverstärker, der für eine Fernmessung der Ausgangsspannung verwendet wird, sowie Skalierungsund Kalibrierungsregister, um Toleranzen zu eliminieren. Kompensation Eine Registereinstellung bestimmt die Kompensations-Nullfrequenz und die Verstärkung des Regler-ICs. Abb. 3 zeigt das interne Kompensationsnetz mit dem Differentialverstärker für eine Ausgangsspannungsrückführung mit den +VSEN- und -VSEN-Pins sowie einem programmierbaren internen Rampengenerator für die Slope Compensation. (st) Optimierung bei geringer Last Bei geringen Lasten übersteigt die Energie für das Gate des Low-Side-MOSFETs die Einsparungen, die der Ersatz der Freilaufdiode durch den MOSFET erbracht haben. Unter diesen Bedingungen kann der Low-Side-Treiber ausgeschaltet werden und nur die Body-Diode des Schalters für die Gleichrichtung genutzt werden. Abb. 3. Ergebnisse eines Einzeltotzeit-Optimierungsdurchlaufs mittels»relative Efficiency Measurement«. Quelle: Microchip Technology 65

62 Silica DC/DC-Wandler Analog Devices isopower bietet Vorteile für isolierte DC/DC-Wandler Viele elektronische Systeme nutzen eine galvanische Trennung, um den internationalen Sicherheitsanforderungen zu entsprechen oder um die Leistung zu verbessern, indem Masseschleifen (Brummschleifen) und Rauschen eliminiert werden. Die Trennung hat aber Einfluss auf die Stromverteilung. Wenn nicht auf der isolierten Seite eine Batterie verfügbar ist, muss dieser Abschnitt des Schaltkreises mit Strom versorgt werden. Von David Carr * Sobald der Isolationsbedarf festgelegt wurde, muss der Entwickler eine Wahl treffen. Er kann einen einfachen DC/ DC-Wandler mit offenem Regelkreis wählen, wenn Leistung und Effizienz nicht wichtig sind. Das lässt sich einfach und mit geringen Kosten realisieren, indem eine Spannung über einen Trenntransformator geleitet, dann gleichgerichtet und geregelt wird. Dieser Ansatz führt jedoch nicht zu guten Leistungen im Sinne der Lastregelung, Leistungsregelung und Temperaturvarianzen. In vielen Fällen wird eine Architektur mit geschlossenem Regelkreislauf gewählt, um die höchstmögliche Leistung zu erzielen. Traditionell würde ein diskreter DC/DC-Wandler mit geschlossenem Regelkreis mithilfe eines Trafos und eines Optokopplers realisiert, der Feedback von der Sekundär- an die Primärseite gibt (Abbildung 1, rechts). Dieser Ansatz bringt aber zahlreiche Herausforderungen mit sich, hauptsächlich aufgrund der Variabilität des Gleichstrom-Übertragungsverhältnisses (CTR) des Optokopplers. Eine weitere Schwierigkeit besteht in der Notwendigkeit, dass das Design den Sicherheitsvorschriften genügen und eine Typprüfung entsprechend relevanter internationaler Sicherheitsspezifikationen durchlaufen muss. Dies birgt auch bei problemlosem Ablauf weitere Kosten und verlängert die Zeit bis zur Produkteinführung. Falls die Typprüfung nicht erfolgreich ist, können sogar langwierige Redesign-Zyklen notwendig sein. * David Carr ist Applications Manager, Digital Isolation Products, Analog Devices Abbildung 1: Unterschiedliche Ansätze für isolierte DC/DC-Wandler Eine Lösung dieser Probleme wäre ein isoliertes DC/DC-Wandler-Modul (Abbildung 1, Mitte). Solche Module bieten festgelegte Leistungen und sind oftmals gemäß relevanter Sicherheitsstandards zertifiziert. Sie brauchen üblicherweise keine externen Bauteile wie Ableitkondensatoren, aber die Vorteile bedingen eine größere Leiterplattenfläche. Analog Devices ist in der Lage, Lufttrafos mit CMOS- und BiCMOS-Prozessen zu integrieren und so isopower-isolierte DC/DC-Wandler herzustellen (Abbildung 1, links), die zahlreiche Vorteile im Vergleich zu diskreten Designs und Modulen bieten. Der offensichtlichste Vorteil besteht in der Leiterplattenfläche, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Abbildung zeigt aber nicht, dass die Bausteine der ADuM541x-Familie darüber hinaus vier getrennte Datenkanäle in einem kleinen 20-Lead SSOP-Gehäuse enthalten. Das isopower-dc/ DC -Wandler-Portfolio verfügt in Hinblick auf Sicherheitsanforderungen über diverse Zertifizierungen auf Komponenten und Systemebene (z.b. UL 1577, IEC und IEC Quelle: Analog Devices 5-2). Somit kann sich der Entwickler sicher sein, dass das endgültige System die erforderlichen Typprüfungen bestehen wird. Dass sich das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis mit der Zeit und der Temperatur ändert, muss bei Eingangs- und Ausgangsschnittstellen berücksichtigt werden. Im Vergleich dazu gewährleisten die isopower-dc/dc-wandler eine gleichbleibende Leistung über Temperatur und Lebensdauer. Außerdem sind sie viel einfacher anzuschließen. Auch die Zuverlässigkeit ist deutlich verbessert, da die genutzten Siliziumprozesse bereits ausgereift sind und Ausfallraten (FIT) im einstelligen Bereich liegen. Analog Devices führt ein komplettes Portfolio an isopower-produkten, das Ausgangsleistungen von 50 mw bis 2,5 W abdeckt. Es stehen drei unterschiedliche Familien mit integrierten Lufttrafos (ADuM5xxx-Teilenummern) zur Verfügung, die Ausgangsleistungen von 50 mw bis 500 mw bieten. Die ADuM347x-Familie nutzt einen externen Trenntrafo, um höhere Leistungsniveaus zu erreichen. (st) 66

63 Renesas Power Solutions The Smart Choice for Effi ciency Mit der Deep Trench Technologie von Renesas stellt sich eine neue Super Junction MOSFET Generation mit wegweisenden FOM-Werten (Figure of Merit) im Kleinstformat vor. Für ein Höchstmaß an Effizienz bei einem Mindestmaß an Platzbedarf. Kompromisslos erste Wahl für die Zukunft der Stromversorgung, für erneuerbare Energien und Motorsteuerungen. Super Junction Power MOSFET Maximum an Effizienz: Das neue Super Junction Power MOSFET der 600 V / 650 V Klasse Mit dem SJ Power MOSFET und der von Renesas entwickelten Deep Trench Technologie lassen sich endlich extrem niedrige Rds(on)-Werte und eine beispiellos geringe Gateladung (Qg) verwirklichen. Das Resultat sind bahnbrechende FOM-Werte (Figure of Merit) mit nur minimalen statischen Einbußen und Schaltverlusten. Ideal für ebenso leichte wie kompakte, effiziente und weniger hitzeanfällige Schalt-Anwendungen. Standard-Industriegehäuse, THD und SMD Stromstärken 6.1A bis 55A Rds(on) bis zu einem Minimum von 45mOhm (typ.) Eigenschaften und Anwendungen SJMOSFET Typ RJK Serie RJL Serie Schalttopologien Besondere Eigenschaften extrem niedriger Rds(on) niedrige Gateladung (Qg) extrem niedriger Rds(on) niedrige Gateladung (Qg) Schnelle Fast-Recovery-Diode (niedrige trr, Qrr) Anwendungen Stromversorgung/-konverter, PFC, Schweißgeräte Stromversorgung, UPS, Inverter, Telekommunikation, Motorantrieb SchnellundeinfachzumultimativenIGBToderPowerMOSFET idealfürdasindividuelle Schaltkonzept. Ausgehend von der gewünschten Schalttopologie ermöglicht das neue Online-Produktselektions-Tool die Auswahl des jeweils geeigneten Artikels:

64 Silica DC/DC-Wandler STMicroelectronics Effiziente Produkte für alle Anforderungen im Power-Management STMicroelectronics bietet eine Vielzahl von Produkten für das Power-Management an. Dazu zählen auch monolithische DC/DC-Wandler und DC/DC- Controller. Das breite Produktspektrum umfasst hoch spezialisierte Produkte für alle Marktanforderungen: HV-Technik, zusammen mit hoher Zuverlässigkeit und Robustheit für Anwendungen in der Industrie und im Automobilbereich, kompakt und extrem effizient bei jedem Lastniveau, optimale Leistung für Konsum- und Computerprodukte. Die Bausteine verfügen über umfassende Schutzfunktionen (Überstrom, Überspannung, Übertemperatur), verlängern so die MTBF (Mean Time Between Failures: mittlere Ausfallzeit) und reduzieren die Zahl der benötigten externen Komponenten. Den Entwicklern stehen verschiedene Gehäuse-Optionen offen, die sich alle durch Kompaktheit und hohe Wärmeleistung auszeichnen und so in den unterschiedlichen Anwendungsbereiche eingesetzt werden können. Technische Dokumente zu Referenzdesigns sind auf abrufbar. Zur Unterstützung der IC steht in Form der edesignsuite eine Simulationssoftware auf edesignsuite zur Verfügung: Nach Eingabe der Spezifikationen wird die passende ST-Lösung komplett mit den externen Komponenten (Stückliste) angezeigt, und der Endanwender kann den gesamten Schaltkreis simulieren. Die monolithischen Schaltwandler von ST mit integrierten Schaltern sind für Anwendungen mit Eingangsspannungen von 3,3 bzw. 5 V (logischer Bus) über 12 V (Consumer-Bus) bis hin zu 24 V (Industriebus) geeignet und liefern Stromstärken bis zu einigen Ampere. DC/DC für Industriebus-Anwendungen edesign-umgebung Quelle: STMicroelectronics Nach dem großen Erfolg der L597x-Familie (asynchron, 36 V, bis zu 3 A, Automotive- Variante: A597x) im Industrie- und Automobilmarkt bringt ST neue Entwicklungen auf den Markt. Dazu zählen die asynchronen 38V- 2/3A-DC/DC-Wandler aus der L7985/6-Serie für industrielle Anwendungen. Bei den Bausteinen ist die Schaltfrequenz zwischen 250 khz und 1 MHz einstellbar. Dank Synchronisierbarkeit und externer Kompensation sind die Bausteine sehr flexibel. Sie sind zwar für die Abwärtswandlung optimiert, können aber ohne weiteres auch als Buck/Boost-Wandler (positiv und negativ) fungieren. Aufgrund des P-Kanal-MOS sind Bootstrap-Kondensatoren überflüssig, und ein Keramik-Ausgangskondensator kann verwendet werden, was für ein noch kompakteres Format sorgt. Auch in diesem Fall gibt es eine Version für den Automobilbereich (A7985A/6A). Darüber hinaus hat ST auch den ST1S14 auf den Markt gebracht. Dabei handelt es sich um 68

65 DC/DC-Wandler für LEDs ST führt auch DC/DC-Wandler für LEDs im Produktspektrum, das heißt DC/DC-Wandler mit hochauflösender PWM-Dimmung und niedriger Messspannung zur Verringerung der Verlustleistung. Bei den LED2000/1 handelt es sich um synchrone Abwärts-Schaltregler, die als genaue Konstant-Stromquelle gedacht sind und in Anwendungen wie LED-Taschenlampen, Ersatzprodukte für MR16-Glühbirnen oder in der Gebäudebeleuchtung zum Einsatz kommen. Sie ermöglichen den Aufbau eines Abwärts-Schaltreglers mit konstanter Frequenz und Current-Mode-Architektur, der Eingangsspannungen von 3,5 bis 18 V verträgt und einen präzise geregelten Ausgangsstrom von bis zu 3 A (LED2000) bzw. 4 A (LED2001) liefert, wodurch er sich hervorragend für Hochleistungs-LED eignet. einen asynchronen 48V-3A-DC/DC-Wandler für den Industriebereich, der sich hervorragend für Anwendungen eignet, in denen hohe Eingangsspannungen höhere Margen erforderlich machen. Die hohe Schaltfrequenz (805 khz) und die interne Kompensation sorgen für größtmögliche Kompaktheit der Gesamt-Anwendung und minimieren die Materialkosten. Der Power-Good-Ausgang bietet die Möglichkeit zur Sequenzierung und zur Anbindung an externe Logik-ICs. Bei der L698x-Familie handelt es sich um synchrone 38V-DC/DC-Wandler für industrielle Anwendungen. Das erste Mitglied dieser Familie, der L6986 (2 A), soll im dritten Quartal 2013 verfügbar sein. Die Synchrongleichrichtung mit niedrigem Leitungswiderstand R DSon (HS: 180 mω; LS: 150 mω) sorgt für einen hohen Wirkungsgrad bei Volllast. Der Baustein kann so konfiguriert werden, dass er im LC- Modus (Low Consumption Mode) arbeitet, so dass auch ein hoher Wirkungsgrad bei geringer Last möglich ist. In diesem Betriebsmodus zeichnet sich der Baustein durch einen extrem geringen Ruhestrom aus (30 µa). Der VBIAS- Eingang ermöglicht einen noch höheren Wirkungsgrad bei kleinen Lasten. Der Baustein ist zwar für die Abwärtswandlung optimiert, kann aber ohne weiteres auch als Buck/Boost-Wandler (positiv und negativ) fungieren. Die Bausteine erreichen eine hohe Flexibilität dank der regelbaren Schaltfrequenz (250 khz bis 2 MHz) und ihrer Synchronisierbarkeit, dem einstellbaren Sanftanlauf und dem Power-Good-Ausgang mit einstellbarer Verzögerung. Dieser Ausgang dient auch zur Sequenzierung und zur Anbindung an externe Logik. Eine Version für den Automobilbereich ist in Vorbereitung (A6986). Darüber hinaus sind auf der Roadmap von ST auch Bausteine mit höheren Eingangsspannungen (61 V) für ausfallsichere Anwendungen zu finden. DC/DC für Verbraucher- und logische Busse ST bietet auch Produkte für eine DC/DC- Wandlung von 12-V- und logischen Bussen (5 oder 3,3 V), wobei hier das Hauptaugenmerk auf Wirkungsgrad (Synchrongleichrichtung zusammen mit sehr geringem R DSon ) und Kompaktheit (hohe Schaltfrequenz, interne Kompensation) liegt. Die ST1S40/1-Bausteine sind 18V-3/4A-DC/DC-Wandler für anspruchsvolle Consumer- (12-V-Bus) und industrielle (z.b. Mess- u. Haushaltsgeräte) Applikationen. Der RDS_ON ist sehr niedrig (HS: 95 mω; LS: 7 mω), dafür die Schaltfrequenz mit 850 khz hoch. Die ST1S31/2-Bausteine sind 5,5V-3/4A-DC/DC-Wandler für logische Busse und eignen sich für Industrieund Consumer-Anwendungen. Auch in diesem Fall ist der R DSon niedrig (HS: 60 mω; LS: 45 mω) und die Schaltfrequenz mit 1,5 MHz sehr hoch. ST hat auch bei diesen Wandlern einen Power-Good-Ausgang vorgesehen, so dass eine Sequenzierung und eine Anbindung an externe Logik möglich sind. Aufgrund der Synchrongleichrichtung und der internen Kompensation lässt sich die Zahl der Komponenten gering halten. Der Maximalstrom wird durch einen externen Widerstand mittels einer sehr kleinen Feedback-Spannung (100 mv) festgelegt, was den zusätzlichen Vorteil geringerer Stromverluste am Messwiderstand bietet. Die integrierte PWM-Dimmung ermöglicht eine Helligkeitsregelung in Abhängigkeit von der festgelegten Stromimpulsform des Endgeräts. Der LED5000-Baustein ist ein monolithischer Abwärts-Schaltregler speziell für lange LED- Ketten, da er mit Eingangsspannungen von 5,5 bis zu 48 V arbeiten kann und einen Ausgangsstrom bis 3 A liefert. Typische Einsatzbereiche sind leuchtstarke LED-Anwendungen, Straßenbeleuchtung oder Ersatzprodukte für Halogenstrahler. Auf dem Baustein ist eine PWM-Schaltung zur Regelung der LED- Helligkeit implementiert. Eine sehr niedrige Feedback-Spannung (200 mv) minimiert die Verlustleistung am Messwiderstand. Die Kompensation ist in diesem Fall nicht integriert, so dass eine Implementierung von anderen Topologien als Abwärts/Aufwärts- 69

66 Silica DC/DC-Wandler wandlern einfacher ist und somit noch mehr LED auf einmal versorgt werden können. Alle Bausteine (LED2000/1 und LED5000) arbeiten mit einer Schaltfrequenz von 850 khz, die, in Kombination mit Keramikkondensatoren mit niedriger Impedanz, die Ausgangswelligkeit minimiert. Sie sind gegen Überhitzung, Überstrom und Kurzschluss am Ausgang gesichert. Darüber hinaus ist auch ein Sanftanlauf implementiert, der beim Dimmen deaktiviert ist, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Aufwärtsregler und Buck-Boost-Regler ST bietet außerdem ein breites Portfolio an Aufwärtsschaltreglern sowohl mit synchronen als auch nicht-synchronen Schaltern und Ladungspumpen. Die Bausteine brauchen nur einen sehr niedrigen Versorgungsstrom und zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine geringe Baugröße, einstellbare oder synchronisierbare Schaltfrequenzen und einen Stromerzeuger für die LED-Treiber aus. Der ST8R00 ist ein DC/DC-Aufwärtswandler mit Cut-off-Funktion für die Ausgangsspannung. Er eignet sich besonders, wenn Platinenfläche und Kosten hohen Beschränkungen unterliegen. In anspruchsvollen Anwendungen wie Blu-ray-Player/-Recorder, Laptops und Spielekonsolen kann mit dem ST8R00 sowohl bei der Platinenfläche als auch bei den Herstellungskosten ohne Leistungsabstriche deutlich gespart werden. Der synchrone Buck- Boost-Wandler mit nur einem Induktor unterstützt 3 A Betriebsstrom und ist mit vier MOS- FETs mit geringem Durchlasswiderstand versehen. Dadurch lässt sich Platz auf der Leiterplatte spare,n und die Verluste können minimiert werden, wodurch die Bausteine sehr gut in Applikationen passen, die mit Li-Ion-Akkus betrieben werden. Sie zeichnen sich durch folgende Hauptmerkmale aus: großer Eingangsspannungsbereich (1,8 bis 5,5 V), der alle wichtigen Batterielösungen abdeckt hohe Schaltfrequenz (bis zu 3 MHz) führt zu kompakteren Designs (kleinere passive Komponenten) Komplettüberwachung: Erkennung von sync, PGOOD und niedrigem Batteriestand Stromsparmodus bei niedriger Last für einen höheren Wirkungsgrad typischer Wirkungsgrad von über 94% Ausgangsstrom von bis zu 3 A Shutdow-Strom unter 1 μa für eine längere Batterielebensdauer Multi-Output-Controller und -Regler Die PM66xx-Serie ist eine komplette Familie von DC/DC-Reglern und Controllern, mit denen sich ausgeklügelte Power-Management- Lösungen für tragbare Computer (Notebooks, Netbooks, Tablet-PCs) realisieren lassen. Sie zeichnet sich durch spezifische Regeltechniken aus, mit denen auch bei Niedriglast der bestmögliche Wirkungsgrad erreicht werden kann. Die Familie eignet sich für die unterschiedlichsten Anwendungen, da es eine Vielzahl unterschiedlicher Bausteine gibt: mit verschiedenen Integrationsstufen, mit (PM6641) oder ohne Leistungs-MOSFETs (PM6680), PWM- als auch LDO-Lösungen (PM6670S) und unterschiedliche Leistungsstufen von 5 bis 36 V. Mit der PM669x-Serie sind Anwender bei der Stromversorgung von CPU und GFX der IM- VP7-Plattform der nächsten Generation höchst flexibel. Die PM661x-Serie ist ein Satz aus vier hochleistungsfähigen, synchronen Batterielade-ICs, die nur noch eine geringe Anzahl von externen Komponenten brauchen und sich für die unterschiedlichsten, platzbeschränkten Batterielade-Geräte eignen. Der breite Eingangsspannungsbereich der PM66xxA-DC/DC-Aufwärtscontroller-Serie deckt 5V-, 12V- und 24V-Busse für Industrieanwendungen ab. Aufgrund der zahlreichen einstellbaren Ausgangsspannungen ist diese Produktfamilie für die Stromversorgung von FPGA- und MCU-Systemen die erste Wahl. Alle Bausteine stehen in kompakten VFQFPN- Gehäusen zur Verfügung und eignen sich bestens für Platz sparende Designs. Einphasen- und Mehrphasen-Controller Die hochleistungsfähigen Einphasen-Synchron-PWM-Aufwärtscontroller von ST sind die ideale Lösung für Computing-, Netzwerkund High-End-Consumer-Anwendungen wie Hochleistungs-Gleichstrommodule, redundante Stromversorgung mit Hot-Plug, nipol- Wandler (nicht isolierte Point-of-Load-Wandler), Datenzentren und Telekommunikations- Equipment. Die L672x-Serie bietet eine hohe Effizienz, Stromstärken von wenigen Ampere bis über 35 A, einen großen Eingangsspannungsbereich von 1,5 bis 19 V, hohe Leistung bei niedrigen Kosten sowie eine komplette Auswahl integrierter Schutzfunktionen einschließlich messfühlerfreiem Überstromschutz und einer anpassungsfähigen Anti-Cross-Conduction (damit wird gleichzeitige Einschalten der beiden Schalter verhindert). Die L673x-Serie unterstützt einen Eingangsspannungsbereich von 1,5 bis 30 V und arbeitet mit 4,5 bis 16 V. Die Bausteine wandeln eine Eingangsspannung von 30 V in eine Ausgangsspannung von 0,6 V um, und zwar bei einer bis zu 1 MHz programmierbaren Schaltfrequenz. Über- und Unterspannungsschutz sowie ein programmierbarer doppelstufiger Überspannungsschutz sind vorgesehen. Die Überwachungs- und Steuerfunktionen der Serie, darunter Power Good, Thermoabschalten, Erkennung einer Feedback-Disconnection etc., lassen nichts zu wünschen übrig. Für CPU-Stromversorgungen bietet ST ebenfalls Lösungen. So erfüllen die PWM-Controller L6758A, L6751B, L6759D und L6718 extrem strenge Vorschriften, um den Anforderungen der VR12-Produkte von Intel entsprechen zu können. Für den mehrphasigen Core- Bereich bieten sie einen programmierbaren 6-Phasen-Betrieb (maximal) und eine Einzelphase für VSA/GFX mit unabhängigen Regelschleifen. Gemeinsam mit den MOSFET-Treibern L6743, L6747 und L6749 bilden sie eine vollständige Systemlösung für CPU und DDR- Speicher. Die PM6695, PM6768 und PM6766/64 sind vollständig konform gemäß den VR12.5-Spezifikationen und stellen die fortschrittlichsten Mehrphasen-PWM-Controller dar. Bei den PM6695- und PM6768-Bausteinen handelt es sich um Analog-Controller, die bis zu vier Phasen bieten. Sie stellen eine kompakte und kostengünstige Lösung aus Controller und Treiber auf demselben Chip dar. Die PM6766- und PM6764-Bausteine wiederum sind komplett digitale Controller mit leistungsfähiger Telemetrie und Unterstützung von bis zu sechs Phasen. Die neue STVCOTTM-Regelschleife, die auf diesen Bausteinen implementiert ist, sorgt für kürzeste Reaktionszeiten, sichert eine feste Frequenz im statischen Betrieb und ermöglicht einen sehr hohen Wirkungsgrad bei geringen Lasten. (st) 70

67 Texas Instruments Kleinstes 2,5-A-Powermodul mit Überspannungsschutz bis 65 V Texas Instruments hat ein neues Powermodul mit Überspannungsschutz bis 65 V vorgestellt, das einen DC-DC-Wandler, Induktor und passive Komponenten in einem sehr kleinen, einfach zu montierendem Gehäuse enthält. Der TPS84250 bietet Überspannungsschutz bis 65 V. Quelle: Texas Instruments Der TPS84250 mit 2,5 A erfüllt in Bezug auf elektromagnetische Störaussendungen die Vorgaben der Norm EN55022 Klasse B und bietet Frequenzsynchronisierung, um auf saubere Weise störempfindliche analoge Schaltungen in Prüf- und Messanwendungen, industriellen Motorsteuerungen sowie in medizinischen und Bildgebungsanwendungen mit Strom zu versorgen. Weitere Informationen und Muster sind auf zu erhalten. Der Abwärtswandler TPS84250 unterstützt Eingangsspannungen von 7 bis 50 V und liefert eine positive Ausgangsspannung von 2,5 bis 15 V. Das Gehäuse hat die Maße 9 x 11 x 2,8 mm. Für Anwendungen, die eine negative Ausgangsspannung benötigen, bietet Texas Instruments den Baustein TPS84259 mit 4,5 V bis 40 V Eingangsspannung und mit bis zu 15 W Leistung an, der über eine Frequenzsynchronisierung verfügt und außerdem TPS84250 und TPS84259 im Überblick Überspannungsschutz bis 65 V eliminiert zusätzliche Systemschutzkomponenten. Entspricht der Norm EN55022 Klasse B über elektromagnetische Störaussendungen durch geringe EMS-Störungen. Frequenzsynchronisierung vermindert Störungen. Das sehr kleine, flache QFN-Gehäuse mit den Abmessungen 9 x 11 x 2,8 mm benötigt 75% weniger Fläche als Open- Frame-Powermodule. nur geringe elektromagnetische Störungen (EMS) aussendet. Dieses neue Powermodul liefert Ausgangsspannungen von bis zu 17 V für die Stromversorgung von Sensoren, Bipolar-verstärkern, Split-Rail-Datenwandlern und anderen analogen Schaltungen. Um saubere störungsarme Spannungsschienen zu realisieren, können der TPS84250 und der TPS84259 mit Linearreglern mit besonders hohem Eingangsspannungsbereich kombiniert werden, wie etwa dem 1A/36V-TPS7A4700 und dem 1A/36V- TPS7A3301. Der TPS84250 und der TPS84259 ergänzen die TPS84k-Familie von TI-Powermodulen, die auch die Stromversorgung für DSPs und FPGAs bereitstellen, die niedrigere Eingangsspannungen benötigen. Das Design mit den TPS84250 und TPS84259 Modulen wird durch das WEBENCH-Tool von Texas Instruments unterstützt.. Die Bausteine werden im 41-Pin-QFN-Gehäuse angeboten. (st) 71

68 Silica DC/DC-Wandler International Rectifier DC/DC-Wandler für hochdichte Designs Die Welt wird immer kleiner, und mit ihr alle elektronischen Geräte. Das Hauptaugenmerk dabei liegt auf Kernfunktionen wie Mikroprozessoren, FPGAs, ASICs und ihren dazugehörigen hochschnellen Datenpfaden. Stromversorgungen hingegen müssen sich in den übrig gebliebenen Platz zwängen. Doch wie lässt sich mehr Energie in einer kleineren Fläche zur Verfügung stellen und dabei ein gängiges Design beibehalten? Von Rigamesh Balasubramaniam * Höhere Schaltfrequenzen und höhere Wirkungsgrade adressieren das Platzproblem. Doch in der Praxis erweist sich das als äußerst schwierig, weil sich diese Parameter gegenseitig ausschließen. Eine weitere Herausforderung besteht darin, eine gängige Plattform zu finden, die über einen weiten Strombereich skalierbar ist und dabei gleichzeitig den Platzbedarf minimiert, den Wirkungsgrad auf ein Höchstmaß anhebt und die für den industriellen Einsatz erforderliche Robustheit aufweist. Genau das war die Aufgabe, die den Entwicklern der integrierten POL-Spannungsregler (POL: Point-of-Load) der dritten Generation von International Rectifier gestellt wurde. Herausgekommen ist eine Familie von DC/DC- Abwärtswandlern mit integrierten MOSFETs, die einen Bereich von 1 bis 25 A abdecken. Dafür waren in drei Bereichen Neuerungen notwendig: beim Schaltungs-Design für den Schaltregler, bei den hoch effizienten MOS- FETs und in der Gehäusetechnik. Um im 12-V- Betrieb eine Schaltfrequenz von 1 MHz oder mehr zuzulassen, wurde ein patentiertes Modulatorsystem entwickelt, das sehr kleine, Jitter-freie Impulse erzeugt. Zum Beispiel benötigt ein 1-MHz-Design, das die Spannung aus einer 12-V-Versorgung in 1 V Ausgangsspannung herunterwandelt, eine Impulsbreite von 83 ns und kann folglich keinerlei Jitter tolerieren. Standard-PWM-Ansätze weisen üblicherweise einen Jitter von 30 bis 40 ns auf, was zu Pulse-Skipping und übermäßiger Restwelligkeit (Ripple) führt. Der»Gen 3 SupIRBuck«hingegen bietet unter denselben Bedingungen eine saubere Ausgangs-Restwelligkeit bei einem Jitter von lediglich 4 ns. In die neue Familie sind IRs Leistungs-MOS- FETs integriert; sie werden von einer intern generierten Gate-Treiberspannung von 6,8 V angesteuert. Auf diese Weise erreicht die Gen-3-SupIRBuck-Familie im Vergleich zu traditionellen Lösungen, die normalerweise auf eine Gate-Ansteuerung von 5 V begrenzt sind, marktführende Wirkungsgrade. Standard-Gehäusetechniken zur Wärmeableitung reichen für niedrige Ströme im Bereich von 1 bis 16 A aus. Für höhere Ströme von beispielsweise 25 A wurde ein proprietäres Gehäuse genutzt, um einen branchenweit führenden Temperaturanstieg von nur 50 C zu erreichen. Der Synchron-MOSFET wird in einer»source-down«-konfiguration umgedreht, während der Steuer-MOSFET in der bisherigen»drain-down«-konfiguration bleibt. Der Großteil der Wärmeentwicklung erfolgt in der Source des Synchron-MOSFETs; er wird aus dem Gehäuse heraus abgeleitet, und nicht wie in konkurrierenden Lösungen durch den Silizium-Chip hindurch. Infolge des verbesserten Gehäuses und aufgrund von Innovationen im Controller kann der IR3847 mit 25 A ohne Kühlkörper arbeiten. Gleichzeitig belegt er eine um 70 Prozent verringerte Leiterplattenfläche, verglichen mit einem diskreten Aufbau. Eine vollständige 25-A-Stromversorgung kann somit jetzt auf einer Fläche von lediglich 168 mm 2 implementiert werden. * Rigamesh Balasubramaniam ist Director of Marketing, Enterprise Power, International Rectifier 72

69 Die neue SupIRBuck-Familie der dritten Generation ist mit einer Betriebssperrschichttemperatur von 40 bis +125 C für den industriellen Einsatz qualifiziert. Die Bausteine können sowohl für den Betrieb mit einer Eingangsspannung (5 bis 21 V) konfiguriert werden als auch für die Leistungswandlung von eingangsseitig 1 bis 21 V mit einer externen Vorspannung von 5 V. Die»Gen 3 SupIRBucks«zeichnen sich durch eine Referenzspannungsgenauigkeit von 0,5%, ein Feed-Forward-Konzept für die Eingangsspannung und einen sehr geringen Jitter aus, was in Kombination eine ausgangsseitige Gesamt-Spannungsgenauigkeit von besser als 3% möglich macht. Spannungsspitzen am Schaltknoten zählen zu den wichtigen Ursachen für Stress der MOS- FETs. Vollständig monolithische Produkte sind gegenüber solchen Spitzen besonders empfindlich. Ein robusterer Lösungsansatz besteht in der Trennung des Controller-Siliziums vom MOSFET-Silizium. Dadurch können die MOS- FETs mit einem Prozess mit höheren Spannungen gefertigt und eingesetzt werden. Dieser Ansatz wurde bei den»gen 3 SupIRBucks«genutzt, bei denen diskrete Silizium-Dies (Controller, synchroner MOSFET und Regel-MOSFET) auf Gehäuseebene integriert wurden. Mit der neuen SupIRBuck-Familie der dritten Generation adressiert IR die Probleme, die bei thermischen und platzbeschränkten hochdichten Anwendungen auftreten, und zwar mithilfe einer Gesamtgenauigkeit der Ausgangsspannung von besser als 3% unmittelbar an der Last. Dank deutlich reduziertem Jitter für Pulsbreiten von nur 50 ns bieten die SupIRBucks der dritten Generation eine höhere Regelbandbreite für ein besseres Einschwingverhalten und niedrige Ausgangskapazitäten. Die dritte Generation der SupIRBuck-Familie liefert Leistungs- und Dichtewerte, die rekordverdächtig sind, ohne dass dabei Kompromisse eingegangen werden mussten, und bietet gleichzeitig die Möglichkeit, den Entwicklungsprozess zu vereinfachen. Dieselbe Engine und dieselben Funktionen sind in jedem Produkt wiederzufinden, so dass der Entwickler sein Wissen über die gesamte Produktpalette wiederverwenden kann. Einige der Bauteile sind Footprint-kompatibel, um die Wiederverwendbarkeit noch weiter zu verbessern oder um Änderungen der Leistung in letzter Minute zu ermöglichen. Darüber hinaus beschleunigt ein kostenloses Online-Design-Tool (verfügbar unter mypower.irf.com/supirbuck) die Entwicklung und damit das Time-to-Market. Das Tool bietet Schaltbilder, Materiallisten, ACund DC-Simulationen sowie eine Wärmesimulation. (st) ROHM Semiconductor Hoher Wirkungsgrad bei kleinen Gehäuseabmessungen Eine Anhebung des Wirkungsgrads bei allen Arbeitspunkten ist ein wichtiges Kriterium beim Design von Produkten der nächsten Generation, denn diese müssen nicht nur eine verbesserte Funktionalität aufweisen, sondern sollen auch umweltfreundlicher sein. Bisherige Regler-Bausteine konnten mit den rasch wachsenden Fähigkeiten schneller ICs nicht in vollem Umfang Schritt halten. Wirklich ausgefeilte Schaltregler müssen den Job übernehmen, um die Eingangsspannung effektiv in die gewünschte Ausgangsspannung umzuwandeln, während sie gleichzeitig die Verluste minimieren und schnell auf Laständerungen reagieren. Das Konfigurieren eines Gleichspannungswandlers war in der Vergangenheit kompliziert und zeitaufwändig. Nachdem die richtigen ICs für die jeweilige Ausgangsleistung ausgewählt waren, ging es an das Schaltungsdesign. Dabei mussten unter anderem die richtigen Konstanten beispielsweise für die Phasenkompensation festgelegt werden. Auch beim anschließenden Leiterplatten-Design galt es, die angestrebten Eigenschaften im Blick zu behalten. Ferner waren die Kühlmaßnahmen auf die zu erwartende Wärmeentwicklung abzustimmen, und schließlich mussten noch die nötigen Schutzfunktionen vorgesehen werden. Über allem stand zudem die Forderung nach Minimierung der Leiterplattenfläche. Im Idealfall verlängern Schaltregler nicht nur die Lebensdauer der Stromversorgung, sondern machen auch das Design einfacher und bieten die Auswahl unter mehreren Design- Optionen. Sie können das Stromversorgungs- Konzept vereinfachen und beispielsweise die Zahl der benötigten Stromversorgungskomponenten reduzieren, wenn eine einzige Einheit für die jeweilige Anwendung ausreicht. Viele Signalpfade, auf denen es zu raschen Strom- oder Spannungsänderungen kommt, können mit Streuinduktivitäten oder parasitären Kapazitäten in Wechselwirkung treten, was Störungen hervorrufen und die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen kann. Die Möglichkeit, ein breites Spektrum von Spannungen mit hoher Genauigkeit zu regeln und dabei gleichzeitig den Platzaufwand auf ein Minimum zu reduzieren und zusätzlich komplexe Schutzfunktionen zu nutzen, verleiht Designern jene Flexibilität, Sicherheit und Kosteneffektivität, die sie für die Entwicklung ihrer Produkte brauchen. Die neuen Schaltregler-Familien von ROHM erfüllen nicht nur diese Anforderungen, sondern bringen darüber hinaus eine vielfältige Feature-Palette mit. 73

70 Silica DC/DC-Wandler Mit der Familie BD9Cx01 bietet ROHM eine Serie synchroner Abwärtswandler an, die über integrierte MOSFETs mit geringen RDS(on)- Werten (P-Kanal-Typ für die High-Seite und N-Kanal-Typ für die Low-Seite) für die Synchrongleichrichtung verfügen. Die Bausteine arbeiten mit einer typischen Schaltfrequenz von 500 khz, eignen sich für den Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 18 V und können einen Dauer-Ausgangsstrom von maximal 3 bis 6 A liefern. Die Current-Mode-Regelung sorgt für eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und erleichtert die Kompensation des Phasengangs. Alle Produkte der Serie stimmen in ihrer Anschlussbelegung überein. Einheitlich festgelegt ist auch die Soft-Start-Zeit von 1 ms. Die mit zwei Gehäusebauarten (SOP-J8 und HTSOP-J8) verfügbare Serie bringt eine umfassende Ausstattung an Schutzfunktionen beispielsweise gegen Überströme, Kurzschlüsse, Überhitzung, zu niedrige Eingangsspannungen und Überspannungen mit. Für ein unkompliziertes Design kompakter Stromversorgungen bietet ROHM außerdem die asynchronen Abwärtswandler BD9673 und BD9876 an. Beide verfügen über integrierte, high-seitige N-MOSFETs mit geringem R DS(on). Sie können mit Eingangsspannungen in einem großen Bereich von 7,0 bis 42 V eingesetzt werden und werden vorwiegend als Haupt-Stromversorgung genutzt. Zum Beispiel kann aus einer festen Eingangsspannung von 12 V, 24 V usw. eine Ausgangsspannung von beispielsweise 1,2 V, 1,8 V, 3,3 V, 5 V usw. erzeugt werden. Die ICs arbeiten mit einer fest eingestellten Schaltfrequenz von 300 khz und besitzen einen eingebauten N-Kanal-FET als Schalter für die 45 V. Die Current-Mode-Regelung sorgt für eine schnelle Reaktion auf Laständerungen und hält den Aufwand für die externe Phasenkompensations-Beschaltung gering. Die im HTSOP-J8-Gehäuse angebotenen Bausteine verfügen über einen Überstrom- und Überhitzungsschutz und eine Unterspannungs-Sperre. Als jüngsten Neuzugang hat ROHM Semiconductor einen neuen asynchronen Abwärts- Schaltregler mit einem eingebauten 800-mΩ- Leistungs-MOSFET angekündigt. Der BD9G101G ist für einen Ausgangsstrom von 0,5 A DC ausgelegt. Mit seinen hervorragenden Netz- und Lastregelungs-Eigenschaften empfiehlt sich der Baustein, der in einem kompakten Gehäuse des Typs SOT23 (SSOP6) angeboten wird, für intelligente Power-Management-Lösungen. Die fest auf 1,5 MHz eingestellte Schaltfrequenz erlaubt die Verwendung einer kleinen Induktivität und kleiner Keramik-Kondensatoren, was den Platzaufwand verringert. Sämtliche Phasenkompensations-Bauelemente sind bereits integriert. Die Eingangsspannung kann zwischen 6 und 42 V betragen. Die interne Referenzspannung ist mit einer Toleranz von typisch ±1,5% auf 0,75 V eingestellt. Der neue Schaltregler eignet sich hervorragend für getaktete Abwärtswandler. Neben der internen Kompensation und dem erstklassigen Wärmewiderstand sind die verschiedenen Schutzfunktionen (z.b. Überstromschutz, Unterspannungs-Sperre und Überhitzungsschutz) hervorzuheben. Die typische Stromaufnahme im Shutdown-Zustand ist mit 0 µa angegeben. Der Betriebstemperaturbereich beträgt 40 bis +105 C, die maximale Sperrschichttemperatur 150 C. Zusammenfassung Die verschiedenen Reihen neuer synchroner und asynchroner Schaltregler von ROHM eignen sich für Eingangsspannungen von 12 bis 42 V (in Zukunft sogar bis zu 80 V) und unterstützen Ausgangsströme von 0,5 bis 6 A. Die Bausteine verfügen über mehrere Schutzfunktionen, werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Gehäuse angeboten und werden vielfältigsten Design-Anforderungen beispielsweise in Bezug auf das Tastverhältnis, die Ausgangsspannung, die thermischen Bedingungen, den Bauteileaufwand usw. gerecht. Die integrierten MOS- FETs sorgen dank niedriger RDS(on)-Werte und hoher Schaltgeschwindigkeiten für einen besseren Wirkungsgrad. Der Zuverlässigkeit kommen die hohe Regelgenauigkeit der Ausgangsspannung von ±1,0 beziehungsweise ±2,0 %, eine Softstart-Funktion sowie Schutzfunktionen gegen zu hohe Ströme, Überhitzung, zu niedrige Eingangsspannungen, Kurzschlüsse oder Überspannungen zugute. Darüber hinaus sind weniger Bauelemente nötig, um hocheffiziente Leistungswandler zu implementieren, kompakte Applikationen zu realisieren und die Systementwicklungskosten zu senken. Zurzeit arbeitet ROHM an der Entwicklung der neuen Serie BD9G3x1 für höhere Eingangsspannungen von 45 V, 60 V und 80 V. Der Beginn der Massenproduktion dieser neuen Bauelemente ist für das dritte beziehungsweise vierte Quartal 2013 vorgesehen. (st) 74

71 Manche Anforderungsprofile machen eine digitale Regelung unabdingbar Digital Power flexibel und effizient Die digitale Regelung ist im höheren Leistungsbereich längst Standard. Aber wie sieht es im Leistungsbereich zwischen 50 bis 150 W aus? Kann sich hier die analoge Regelung dank der Kostenvorteile weiterhin gut behaupten oder findet auch hier ein Umstieg auf die digitale Regelung statt? Die digitale Regelung ist zwar teurer als die analoge, aber sie weist Eigenschaften auf, die in manchen Anwendungen einfach zwingend erforderlich sind. So erklärt auch Ivan Dobes, 32-Bit MCU Marketing Manager bei Texas Instruments, dass der Einsatz einer digitalen Regelung weniger mit einem bestimmten Leistungsbereich zusammenhängt als vielmehr damit,»wie hoch die Anforderungen sind und ob Flexibilität wichtig ist«. Wenn mehrere Spannungen gleichzeitig geregelt werden müssten und zudem noch die Lasten stark und schnell schwanken können, dann sei die digitale Regelung seiner Meinung nach immer zu bevorzugen. Sind zudem noch zusätzliche Funktionen nötig, sei es eine Leistungsfaktorkorrektur oder generelle Überwachungsfunktionen, und dies noch mit einem Platzmangel auf der Leiterplatte verbunden ist,»dann ist die digitale Regelung durch einen Mikrocontroller fast unvermeidbar«, so Dobes weiter. Ähnlich argumentiert auch Pavel Grasblum, MPG Motor Control & Power Conversion System Solution Application Engineer von Freescale Semiconductor, indem er als größten Vorteil der digitalen Regelung auf ihre hohe Flexibilität hinweist. Denn so ließen sich die Regelparameter an die aktuelle Last anpassen, wodurch eine höhere Effizienz möglich ist. Und das»lässt sich mit einem analogen Design nur schwer realisieren«, so Grasblum weiter. Dementsprechend gibt es auch einige Anwendungsbeispiele im mittleren und unteren Leistungsbereich, in denen die digitale die analo- ge Regelung verdrängt hat. Ein Beispiel sind Ladegeräte für Smart-Phones (Kleinstleistungsbereich: 3 bis 5 W). Christian Burrer, verantwortlich für AC/DC und Licht-ICs bei Infineon Technologies, merkt an,»dass hier zwar keine Standard-DSPs wie im Hochleistungsbereich die digitale Regelung übernehmen, dafür aber wesentlich einfachere Controller, die nicht mit einer MPU sondern mit festverdrahteter Logik ausgestattet sind«. Darüber hinaus habe die digitale Regelung auch schon in der PC-Welt ihren Einzug gehalten, denn laut Burrer liefert beispielsweise Infineon kundenspezifische, digitale Regler in diesen Applikationsbereich. Speziell auf den mittleren Leistungsbereich bezogen, beurteilt Andreas Reiter, Senior Business Development Manager for Power Electronics Europe bei Microchip Technology, die Situation aber eher als schlecht. Hier hätte sich die digitale Regelung bislang kaum und nur in speziellen Fällen durchsetzen können. Sie würde nur dann eingesetzt, wenn die höhere Flexibilität der digitalen Regelung benötigt wird, um das nicht-lineare Verhalten von Lasten besser unterstützen zu können. Als Beispiele nennt er Stromquellen wie LED- Treiber und Batterieladegeräte, hier seien immer mehr halb- und voll-digitale Regler zu finden. Reiter weiter:»im Bereich von Konstantspannungsquellen hingegen stellen der höhere Stromverbrauch der Controller und der damit verbundene erhöhte Aufwand für Hilfsversorgungen oft noch ein K.O.-Kriterium für die digitale Regelung dar.«vor allem in Point- Of-Load-Anwendungen (PoL) würden volldigitale Regler durch ihre begrenzte Bandbreite in Verbindung mit den hier üblichen, sehr hohen Schaltfrequenzen, immer wieder an ihre Grenzen stoßen. Dem allerdings widerspricht Frederik Dostal, im Power Management Technical Marketing von Analog Devices tätig. Seiner Erfahrung nach wird die digitale Regelung heute vor allem in PoL-Anwendungen oder in isolierten Applikationen mit höheren Leistungen eingesetzt, was zumindest Jim Templeton, Executive Director, Business Management Power Solutions bei Maxim Integrated, bestätigt:»ungefähr 50 Prozent der PoL-Stromversor- gungen sind digital ausgelegt, bei Server- Spannungsreglern liegt dieser Anteil sogar schon bei rund 65 Prozent. Inwieweit sich die digitale Regelung durchgesetzt hat, hängt sicherlich von den Erwartungen jedes einzelnen ab. In einem Punkt sind sich aber alle einig: Die Flexibilität, die die digitale Regelung mit sich bringt, ist der entscheidende Pluspunkt. Nicht nur, dass ein digitaler Regler mehrere Regel-Modi durchlaufen kann und damit deutlich effizienter bei Lastsprüngen und im Standby-Modus ist, die Flexibilität vereinfacht auch die Erstellung von Varianten: der Hersteller von Stromversorgung muss seine Produkte nur noch entsprechend konfigurieren und nicht mehr für unterschiedliche Produkte unterschiedliche Varianten vorhalten. Wobei Burrer bezüglich der Effizienz außerdem anmerkt, dass sich Effizienzklassen wie 80 PLUS Silver oder Gold (80 Plus ist eine nordamerikanische Initiative zur Förderung von Netzteilen für Computer und Server, die einen Wirkungsgrad von 80 Prozent oder höher aufweisen) zwar mit einer analogen Regelung realisieren lassen würden,»aber ab der Titanium-Klasse stößt die Analogtechnik an ihre Grenzen«. Handies der Effizienzklasse Energy Star 5 ließen sich mit einer analogen Regelung kaum realisieren. Dementsprechend ist Charlie Wu, Senior System & Application Engineer Industrial & Multi-Market Operation in der Microcontroller Solutions Group von Freescale Semiconductor, davon überzeugt, dass gesetzliche Anforderungen der digitalen Regelung auf die Sprünge helfen werden:»der neue europäische Standard für Energieeffizienz von externen Stromversorgungen erfordert eine höhere Energieeffizienz im Standby-Modus und bei niedrigen Lasten. Auch wenn viele Hersteller von Stromversorgungen zunächst einmal weiterhin an analoge Lösungen denken werden, dürften die Kosten dafür so stark steigen, dass sie doch über eine digitale Regelung nachdenken müssen.«templeton weist noch auf ein weiteres Beispiel hin, in dem eine digitale Regelung erforderlich ist:»im Server-Bereich ist das finale Design beispielsweise für Intel-Prozessoren 75

72 Silica DC/DC-Wandler Wie Reiter bereits erklärt hat, bereitet die hohe Stromaufnahme den Controllern im mittleren Leistungsbereich Probleme, wobei er hinzufügt, dass Microchip die Stromaufnaherst dann bekannt, wenn die Chips geliefert werden. Dank der digital bedingten Flexibilität können Modifikationen per Firmware vorgenommen werden, sodass Intel-Prozessorkarten rechtzeitig mit den Intel-Chips auf den Markt gebracht werden können.«aber auch wenn der technische Fortschritt eine ständige Weiterentwicklung der Stromversorgung notwendig machen würde, ist die digitale Regelung die Lösung, denn dank Modifizierbarkeit können die Parameter einfach angepasst werden. Das ist beispielsweise der Grund, warum sich die digitale Regelung in der LED-Technik bereits durchgesetzt hat. Wobei Reiter für diese Anwendung noch weiterer Pluspunkte für die digitale Regelung ausmacht. So lassen sich damit auch wichtige zusätzliche Aspekte wie Temperaturkompensation zur Stabilisierung der Farbkoordinaten, optimiertes Dimming nach ergonomischen Gesichtspunkten und erweiterte Diagnosemöglichkeiten implementieren. Die Kosten sind neben den von Reiter genannten Nachteilen eine der Hauptursachen dafür, dass die digitale Regelung die analoge bislang nur bedingt verdrängen konnte, denn auch wenn der Regelalgorithmus digital durchgerechnet werden kann, sind dennoch viele analoge Bausteine in einer digitalen Regelung Rennen, wenn es um Stromversorgungen in einem Leistungsbereich von mehreren 100 W geht. Für den hier betrachteten niedrigeren Leistungsbereich wiederum ist der ADP1051 optimiert. Der digitale Power-Controller verfügt über ein PMBus-Interface und sechs programmierbare PWM-Ausgänge. Mithilfe einer adaptiven Totzeit lässt sich der Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich verbessern. Der ADP1051 basiert auf einer flexiblen Zustandsmaschine und sitzt in einem kleinen 4 x 4 mm LFCSP-Gehäuse. Dostal:»Der größte Unterschied zwischen unserem ADP1051 und konkurrierenden Bausteinen ist die Zustandsmaschine. Die Entwickler können alle Registerwerte über eine intuitive graphische Benutzeroberfläche setzen, dadurch ist die Entwicklung deutlich einfacher.«freescale adressiert die digitale Wandlung mit seinen DSC-Familien, die auf einem DSP-Core basieren, der bis zu sechs Operationen pro Befehlszyklus durchführen kann. Die Bausteine verfügen außerdem über einen schnellen Dual-A/D-Wandler mit einer Wandlungszeit von 300 ns. Freescale hat seine 56F82xxx-, 56F84xxx- und 56F82xxx-Familien darüber hinaus mit PWM-Modulen ausgestattet, die sich durch vier unabhängige Zeitbasen und einer Auflösung von 312 ps auszeichnen. Logik, Analog und Treiber in einer 2-Chip-Lösung Infineon entwickelt derzeit einen Baustein, bei dem die Logikschaltung mit den Analogbausteinen und Treibern in einer Zwei-Chip-Lösung integriert ist, der Serienstart ist für nächstes Jahr geplant. Christian Burrer, verantwortlich für AC/DC und Licht-ICs bei Infineon Technologies, notwendig. Burrer:»Eine Stromversorgung mit Halbbrücken und den dazugehörigen Gate-Treibern für die Leistungstransistoren lässt sich in CMOS technologisch gesehen zwar realisieren, aber so eine Lösung ist ökonomisch nicht vertretbar.«die Produktpalette ist vielfältig Aber nicht nur Infineon hat sich der digitalen Regelung angenommen, auch die anderen Hersteller bieten entsprechende Produkte an. So schickt Analog Devices beispielsweise derzeit seinen Digital Controller ADP1046 ins kommentiert:»mit diesen Produkten adressieren wir den Leistungsbereich von 30/40 bis 300 W und damit Anwendungen wie Notebook-Adapter, Fernseher, Drucker oder PCs. Damit werden beispielsweise heutige Standby-Stromversorgungen in PCs oder LCD-Fernsehern überflüssig.«grasblum:»besonders die jüngste DSC-Familie 56F82xxx weist im Vergleich zu konkurrierenden Lösungen eine sehr niedrige Leistungsaufnahme auf ein entscheidender Parameter, um energieeffiziente Stromversorgungen realisieren zu können. Hinzu kommen zahlreiche Peripheriefunktionen und der Preis, mit denen sich Applikationen adressieren lassen, die eine niedrige Ausgangsleistung benötigen.«me bei den aktuellsten dspic33 DSCs bereits deutlich reduziert hat, so dass die untere Leistungsgrenze, bei der diese Controller üblicherweise zum Einsatz kommen, bei etwa 100 W liegt. Microchip adressiert Anwendungen im niedrigeren Leistungsbereich momentan noch eher mit den sog. hybriden Lösungen, bei denen analoge Schaltreglerarchitekturen mit programmierbaren Kernen ergänzt werden. Hier stehen 8-Bit-MCUs mit spezieller Peripherie wie PWM, Operationsverstärker und Komparatoren der PIC16F75x- und PIC16F178x-Familien zur Verfügung. Diese Produkte benötigen zwar immer noch eine externe Hilfsversorgung und MOSFET-Treiber, unterstützen aber komplexere Topologien und Multiphasen-Wandler und sind deshalb universell einsetzbar. Daneben gibt es auch die 8-Bit-Hybridregler der MCP1911x-Familie, die deutlich höher integriert sind, MOSFET-Treiber und Hilfsversorgung mit einschließen und mit Versorgungsspannung bis zu 42 V direkt betrieben werden. Reiter abschließend:»microchip war einer der ersten Hersteller, der sich auf intelligente Stromversorgungen fokussiert hat und verfügt deshalb über viel Erfahrung bei der Entwicklung und Implementierung intelligenter Regler. Unsere Lösungen ermöglichen eine sehr hohe Flexibilität sowohl beim Design als auch im laufenden Betrieb. Die volle Programmierbarkeit aller Produkte, besonders aber die der hochintegrierten Hybrid- Schaltregler, und die sehr enge Verzahnung von MCU und Regler führen dazu, dass unsere Produkte vor allem dort eingesetzt werden, wo Technologieübergänge stattfinden und keine klassischen Off-The-Shelf-Lösungen zur Verfügung stehen.«templeton wiederum erklärt:»intune als das Digital-Power-Feature von Maxim Integrated überzeugt durch echte digitale Flexibilität und automatische Kompensation. Es handelt sich hierbei um die einzige digitale Stromversorgungslösung, deren Einschwingverhalten mit dem von analogen Lösungen vergleichbar ist. Das erleichtert die Anwendung unserer Bausteine und ergibt außerdem die insgesamt kompakteste Lösung, weil weniger Ausgangskondensatoren gebraucht werden.«bei TI sind die Controller aus der C2000-Familie für die digitale Regelung nutzbar. Sie zeichnen sich laut Dobes durch den integrierten DSP-Kern, hochpräzise PWMs und schnelle analoge Komparatoren mit»slope compensation«aus,»die für fortgeschrittene Regelalgorithmen sehr wichtig sind«, so Dobes abschließend. (st) 76

73 Texas Instruments Abwärtswandler erzielt höchste Effizienz bei niedrigen Ausgangslast Der 28V/500mA-Abwärtswandler von Texas Instruments ist ein einfach anzuwendender Regler mit DCS-Control. Er eignet sich für Point-of-Load-Applikationen mit 12, 15 oder 24 V, darunter beispielsweise Sensoren und Smart Meter. Die DCS-Control-Technik Der TPS62175 basiert auf der DCS-Control-Topologie (Direct Control with Seamless Transition into Power Save Mode), die die Hysterese- und Voltage-Mode- Regelung in einem Baustein kombiniert und für sehr gute Lastregeleigenschaften sorgt. Mit einer Spannungs-Rückkoppelschleife bewirkt die DCS-Control-Technik außerdem eine hohe DC-Genauigkeit, und es wird reibungslos zwischen den Betriebsarten für hohe und geringe Last (Stromspar-Modus) umgeschaltet. Der synchrone 28V/500mA-Abwärtswandler TPS62175 zeichnet sich durch eine Stromaufnahme im Sleep- Modus von unter 5 µa aus. Er behält seinen hohen Wirkungsgrad auch bei geringen Ausgangslasten und eignet sich für extrem sparsame Mikrocontroller in Anwendungen mit 12, 15 oder 24 V Betriebsspannung, wie zum Beispiel industrielle Sensoren, Smart Meter, die Medizintechnik und die drahtlose Energieübertragung. Muster, das WEBENCH Designtool und ein Evaluation Modul sind unter verfügbar. Die TPS62175 zeichnen sich durch folgende Eigenschaften und Vorteile aus: Maximale Effizienz bei geringer Ausgangsleistung: Bei 100 µa Ausgangsstrom ist der Wirkungsgrad größer als 70%. Die Ruhestromaufnahme im Sleep-Modus ist kleiner als 5 µa und beträgt im regulären Betrieb 20 µa. Der Wandler eignet sich für Mikrocontroller-Systeme mit hohen Anforderungen, was die Standby-Leistungsaufnahme und die Genauigkeit der Ausgangsspannung betrifft, und unterstützt die Mikrocontroller der Stellaris- Familie von TI mit dem Cortex-M4F von ARM. Sehr platzsparend: Es werden nur drei externe Bauelemente benötigt, und dank des nur 2 x 3 mm großen WSON-Gehäuses benötigt die Gesamtlösung nicht mehr als 68 mm² Fläche. Demo-Board Der TPS62175 wird in einem 2 x 3 mm großen WSON-Gehäuse mit 10 Anschlüssen angeboten. Designer können das Demo-Board TPS62175EVM-098 bestellen, um die Arbeitsweise und Funktionalität des Bausteins bei der Umwandlung einer zwischen 4,75 und 28 V liegenden Eingangsspannung in eine geregelte Ausgangsspannung von 3,3 V auszuprobieren. (st) Über 70% Wirkungsgrad bei geringen Lasten Quelle: Texas Instruments 77

74 Silica DC/DC-Wandler Infineon Technologies Stromsparende DC/DC-Wandler Infineons TLF502x1EL-Familie ist eine Serie von 500-mA-DC/ DC-Wandlern mit sehr niedriger Leistungsaufnahme und hohen Schaltfrequenzen. Die asynchronen Bausteine verfügen über einen integrierten Leistungstransistor und liefern bei 5 V und einer Ausgangsspannungstoleranz von ±2% einen Ausgangsstrom von 500 ma. Sie können bei Tastverhältnissen von bis zu 100% und mit Eingangsspannungen von 4,75 bis 45 V betrieben werden. Bei geringen Lasten schaltet das Bauteil vom PWM- in den PFM-Betrieb um, um einen sehr niedrigen Stromverbrauch von unter 45 µa zu gewährleisten. Merkmale der TLF502x1-Familie Ausgangsspannung: 5 V (± 2 %) Ausgangsstrom: 500 ma PWM- und PFM-Betrieb Niedriger Stromverbrauch: unter 45 µa Niedriger Shutdown-Strom: unter 2 µa Tastverhältnis bis zu 100 % Schaltfrequenz bis zu 2,2 MHz AEC-Qualifizierung ren, spart Platz auf der Leiterplatte und sorgt für eine berechenbare Ausgangsspannungswelligkeit. Die integrierten Kompensationsund Sanftanlauf-Funktionen erlauben eine einfache Anwendung und reduzieren die Anzahl von externen Komponenten. Die TLF502x1-Familie stellt Funktionen bereit, die im Automotive-Markt benötigt werden, einschließlich einer ENABLE- und RE- SET-Funktion mit einstellbaren Schwellwer- Integrierte Kompensationsund Soft-Start-Funktion ENABLE, RESET und WATCHDOG implementiert Thermisch verbessertes Gehäuse: SSOP-14 EP (RoHS) Synchronisierung und Frequenzeinstellung Die einstellbare Schaltfrequenz bis zu 2,2 MHz kann mit einem externen Taktgeber synchronisiert werden. Diese hohe Schaltfrequenz ermöglicht den Einsatz von kleinen, kostengünstigen Induktoren und Kondensatoten und WATCHDOG-Timer mit einstellbarem Timing. Die neuen Bausteine sind mit Schutzfunktionen versehen, wie eine Strombegrenzung in jedem Zyklus, eine Übertemperaturabschaltung und eine Sperrfunktion bei Unterschreiten der minimalen Eingangsspannung. Dank des großen Temperaturbereichs von bis zu 150 C und der AEC-Qualifizierung eignen sich die Bauteile für die Automobilindustrie in den Bereichen Body, Cluster und Infotainment etc. (st) Impressum Redaktion: Kerstin Kurth, verantwortlich für den Inhalt (Silica), Sergio Biancifiori (Silica), Andrea Cappa (Silica), Manfred Feske (Silica), Simone Franceschin (Silica), Florian Freund (Silica), Kévin Guehenneux (Silica), Henryk Hauer (Silica), Uli Hoss (Silica), Fredrik Johansson (Silica), Richard Lenz (Silica), Piero Mocca (Silica), Franco Montanari (Silica), Andreas Schugens (Silica), Carl Vincent (Silica), David Carr (Analog Devices), Maurice O Brien (Analog Devices),Colin Davies (Diodes), Rigamesh Balasubramaniam (International Rectifier), Neil Longgood (Maxim Integrated), Philippe Rangheard (NXP Semiconductors), Steffen Hering (Renesas Electronics Europe), Iris Stroh (st), Markt & Technik) Anzeigenleitung: Ira Kerstin-Hormuth, Silica Layout & Design: Dieter Grahnert, Markt & Technik Druck: L.N. Schaffrath Druck Medien, Geldern Herausgeber & Anschrift: Silica (An Avnet Company), Avnet EMG GmbH, Gruber Str. 60C, Poing, Germany, Tel. +49 (0) , Fax +49 (0) pr@silica.com, Internet: Urheberrechte: Alle im Silica Sonderheft Power Management erschienenen Beiträge sind urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch Übersetzungen, vorbehalten. Reproduktionen, gleich welcher Art, ob Fotokopie, Mikrofilm oder Erfassung in Datenverarbeitungsanlagen, nur mit schriftlicher Genehmigung des Verlages und des Herausgebers. Aus der Veröffentlichung kann nicht geschlossen werden, dass die beschriebene Lösung oder verwendete Bezeichnung frei von gewerblichen Schutzrechten sind. Inserenten Infineon 13 International Rectifier 49 Maxim 2 Microchip 23 NXP 3 ON Semiconductor 5 Renesas 17 Renesas 67 ROHM Semiconductor 61 Silica 4, 35-38, 80 Texas Instruments 21 Texas Instruments 55 Texas Instruments 79 Haftung: Für den Fall, dass im Silica Sonderheft Power Management unzutreffende Informationen enthalten sein sollten, kommt eine Haftung nur bei grober Fahrlässigkeit des Verlages oder seiner Mitarbeiter und des Herausgebers in Betracht. Auflage: Exemplare 78

75 Benutzerfreundliche Entwickler-Werkzeuge. Maßgeschneiderte Ergebnisse. WEBENCH Design Center Verwenden Sie die WEBENCH -Entwickler- Werkzeuge, um komplette Systeme in kürzester Zeit zu erstellen, und setzen Sie auf Effizienz sowie die Reduzierung von Platinenfläche und Kosten. Sie erhalten sofortigen Zugang zu neuesten Simulationsmodellen, parametrischen Daten und Gehäuseinformationen und können Designs direkt in branchenführende CAD-Plattformen exportieren. > Optimieren Sie in Sekundenschnelle Ihr Design > Simulieren Sie Ihre Ergebnisse > Bestellen Sie einen Prototypen Entwickler-Werkzeuge für Einzelschaltungen WEBENCH Power Designer WEBENCH LED Designer WEBENCH Sensor AFE Designer WEBENCH Sensor Designer WEBENCH Active Filter Designer WEBENCH PLL Designer WEBENCH Amplifier Designer Entwickler-Werkzeuge für den Entwurf komplexer Mehrfachschaltungen WEBENCH Power Architect WEBENCH System Power Architect WEBENCH Processor Power Architect WEBENCH FPGA Power Architect WEBENCH LED Architect WEBENCH Design Center bietet: BOM-Komponenten von über 115 Herstellern Komplette Schaltpläne Umgehende Simulation des dynamischen Verhaltens und der Wärmeableitung Direkten Export der optimierten Schaltpläne in Ihre CAD-Plattform The platform bar is a trademark and WEBENCH is a registered trademark of Texas Instruments TI

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