Neukonzeption der Leistungsumwandlung am Lastpunkt

Fragen Sie irgendeinen Systemarchitekten: „Was ist Ihr größtes Problem?“ Die wahrscheinliche Antwort ist, dass Geräte, die das System mit Strom versorgen, zwischen 30 und 50 % des Platzes auf der Leiterplatte einnehmen, ganz zu schweigen von den zusätzlich erforderlichen Komponenten zur Filterung und Unterdrückung elektromagnetischer Störungen (EMI). Bei den meisten elektronischen Systemen - von Verbraucheranwendungen bis hin zu Produkten für Rechenzentren und Netzwerke - ist der Stromverbrauch nach wie vor eine der größten Einschränkungen bei der Reduzierung von Größe und Höhe.

Abbildung 1: Die zweistufige Buck-Architektur von Murata umfasst eine Ladungspumpe, gefolgt von einem abwärtswandelnden Schaltregler. (Bildquelle: Murata)

Traditionell haben sich Systemarchitekten auf abwärtswandelnde POL-Wandler verlassen, um den Strom von Busschienen (z. B. 12 V) herunterzuregeln und Systemlasten wie Kern- und Anwendungsprozessoren, System-ASICs und Speicher zu versorgen. Die Buck-Konvertierung hat sich in der Industrie seit mehreren Jahrzehnten bewährt und wurde zu robusten und kosteneffizienten Lösungen weiterentwickelt und verbessert. Um jedoch wirkliche Fortschritte bei der Leistungsdichte zu erzielen, müssen Systemarchitekten mehr als nur iterative Verbesserungen anstreben. Aus diesem Grund hat Murata einen zweistufigen POL-Wandler eingeführt, der aus einer Ladungspumpe und einem Abwärtsschaltregler besteht, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Für viele mag der Gedanke, dass eine zweistufige Architektur die Effizienz verbessert, kontraintuitiv erscheinen, da die Effizienz der einzelnen Stufen zusammen multipliziert wird. Dank innovativer Schaltkondensator-Techniken ist die Ladungspumpe jedoch praktisch verlustfrei, was zu einem außergewöhnlichen Wirkungsgrad in der ersten Umwandlungsstufe führt.

Im typischen Beispiel von 12 Vin zu 1 Vout, wie in Abbildung 1 gezeigt, verwendet die Ladungspumpe Kondensatoren, um die Eingangsspannung um den Faktor 3 von 12 V auf 4 V zu teilen. Die Buck-Induktivität der zweiten Stufe leistet nun weniger Arbeit bei der endgültigen Umwandlung von 4 V in 1 V Last. Die Verwendung von Kondensatoren ist ein kritischer Punkt, da Kondensatoren im Vergleich zu Induktivitäten eine etwa 400-mal höhere Energiedichte aufweisen. Lösungen, die auf kapazitiver Speicherung beruhen, führen von Natur aus zu einer höheren Leistungsdichte. Jetzt wird der Abwärtsregler der zweiten Stufe mit einer niedrigen Eingangsspannung von 4 V statt der vollen 12 Vin betrieben. Dadurch kann der Abwärtsregler Niederspannungs-Feldeffekttransistoren (FETs) mit hohem Wirkungsgrad verwenden, die zusammen mit einer kleinen Ausgangsinduktivität einen hocheffizienten Abwärtsregler bilden, der mit einer sehr hohen Frequenz und schnellem Einschwingverhalten arbeiten kann.

Abbildung 2 zeigt die traditionelle einstufige Buck-Architektur im Vergleich zur zweistufigen Buck-Architektur.

Abbildung 2: Ein herkömmlicher einstufiger Abwärtswandler im Vergleich zu einem zweistufigen Abwärtswandler von Murata. (Bildquelle: Murata).

Betrachten wir den traditionelleren einstufigen Buck-Ansatz in Abbildung 2 für ein Szenario mit 12 Vin zu 1 Vout. Der Vx-Knoten (Mittelpunkt der FETs) schwingt von Masse zu Vin plus Energiespitzen, die in der Streuinduktivität und den Parasiten gespeichert sind. Dieser Ansatz bedeutet, dass FETs mit höherer Spannung erforderlich sind und dass EMI aufgrund der schnellen Spannungsänderung und des Klingelns wahrscheinlich ein Problem darstellen wird. Die Induktivität verrichtet die gesamte Arbeit und hat einen relativ hohen Wert, was sich negativ auf den Wirkungsgrad und das Einschwingverhalten auswirkt. Außerdem ist der High-Side-FET im 12:1-V-Szenario nur 1/12 der Zeit leitend. Dies führt zu einem sehr hohen pulsierenden Strom am Eingang, der eine zusätzliche Entkopplung erfordert, um die Auswirkungen auf die leitungsgebundene EMI zu verringern. Diese sehr geringe Einschaltdauer schränkt auch die Möglichkeit ein, mit sehr hohen Schaltfrequenzen zu arbeiten.

Vergleichen Sie diesen Ansatz mit der zweistufigen Implementierung von Murata in Abbildung 2. Die Ladungspumpe setzt die Spannung in ganzzahligen Schritten herab - in diesem Beispiel von 12 V über 8 V auf 4 V -, so dass jede Stufe nur 4 V benötigt und die Niederspannungs-FET-Technologie mit hohem Wirkungsgrad verwendet werden kann. Der Abwärtsregler führt den letzten Schritt bei der Umwandlung von 4:1 V aus. Die meiste Arbeit hat bereits die kapazitive Ladungspumpe der ersten Stufe geleistet. Durch diese Architektur kann die Induktivität der zweiten Stufe reduziert werden, was wiederum ein kompaktes, flaches Design ermöglicht, das bei hohen Frequenzen mit ausgezeichnetem Einschwingverhalten betrieben werden kann.

Die erste Stufe der Ladungspumpe besteht aus zwei Phasen, die mit einem Tastverhältnis von 50 % phasenverschoben laufen. Die zweite Stufe arbeitet mit einem Tastverhältnis von 25 %, was den Eingangsstrom und den pulsierenden Strom reduziert. Beide Faktoren zusammen minimieren die Eingangswelligkeit und das EMI-Profil des Wandlers. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die zweistufige Architektur von Murata eine Verbesserung der Effizienz, der Größe und des Profils sowie der EMI darstellt.

Weitere Informationen finden Sie in Muratas Webinar „How Murata is changing the power density paradigm“.