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Power-Management-ICs 48-Volt-Systeme: Effizienz steigern mit reduzierten Wandlerstufen

Der Beitag zeigt den Bedarf an fortschrittlichen Wandler- und Gehäusetechnologien auf und beschreibt, welche Innovationen beim Wandlerdesign den Wirkungsgrad in 48-V-Systemen verbessern und bei Leistungs-MOSFETs den Einschaltwiderstand reduzieren.

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(Bild: ROHM Semiconductor GmbH)

Moderne ICs verfügen über schnellere Prozessoren, mehr Speicherdichte und eine Fülle von Funktionen. Gleichzeitig sollen sie zuverlässsiger sein und weniger Strom verbrauchen. Der Wechsel zu Halbleitern mit kleineren Strukturen und geringeren Betriebsspannungen ermöglicht diese Verbesserungen, ohne die Chipfläche, die Kosten und den Bedarf an speziellen Materialien dramatisch zu erhöhen. Umgekehrt reduzieren Stromversorgungssysteme mit höheren Spannungen (48 V und höher) den Stromverbrauch und verbessern den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung.

Im Fall von Automobil-, Industrie- und Datenkommunikations-Systemen vergrößert dies die Spannungsdifferenz zwischen den Stromversorgungssystemen und den Anwendungen. Die Überbrückung des Spannungsgefälles erfordert in der Regel mehrere Wandlerstufen und Kompromisse mit höherem Einschaltwiderstand (RON = Leitungsverluste). Daraus ergibt sich ein geringerer Wirkungsgrad. Glücklicherweise erhöhen Fortschritte in der Wandler- und Gehäusetechnologie den Wirkungsgrad der Wandler und reduzieren die Leitungsverluste.

Herausforderungen bei hoher Spannung und Stromausbeute

Für viele Anwendungen sind 48 V die höchste Standardspannung in DC-Systemen. Dieser Spannungswert stellt einen akzeptablen Kompromiss für die Verbindungs- und Systemanforderungen dar. Die Herausforderung bei der Verwendung von 48 V als DC-Stromschiene besteht darin, dass moderne Digitalelektronik Spannungen von nur 1,2 V verwenden. Um diese Systeme zu versorgen, werden Spannungswandler benötigt, die eine 48-V-Spannung in 1,2 V umwandeln. In vielen Anwendungen benötigen diese Low-Voltage-Spannungsschienen auch zig Ampere Strom. Dies kann bei mehreren Wandlerstufen zu sehr schlechten Wirkungsgraden bei der Spannungsreduzierung führen. Jede Wandlerstufe hat einen typischen Wirkungsgrad von ca. 90 %. Mehrere Stufen verringern den Wirkungsgrad. Gleichzeitig ist eine Regelung mit niedriger Leistung typischerweise effizienter. Einige Fälle erfordern jedoch eine Regelung von bis zu 1000 W. Dies stellt den Anwender bei der Auswahl von Bauteilen und der Entwicklung einer Spannungsregelungslösung vor erhebliche Herausforderungen.

RON ist ein Produkt der kumulierten Widerstände vom Drain zur Source eines MOSFETs.
RON ist ein Produkt der kumulierten Widerstände vom Drain zur Source eines MOSFETs.
(Bild: ROHM Semiconductor GmbH)

Zum Beispiel verwenden viele Schaltwandlertopologien Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) als Schaltbauteile in den Stromversorgungen. MOSFETs haben einen Drain-Source-Einschaltwiderstand (RDS(ON), oder RON), der einen intrinsischen Leitungsverlust im Gerät darstellt. Ein niedriger RON-Wert reduziert die Leitungsverluste in einem MOSFET erheblich und führt gleichzeitig zu einer geringeren Wärmeentwicklung, was das Wärmemanagement vereinfacht. Ein kühlerer MOSFET bewirkt auch einen niedrigeren RON-Wert, da RON eine Funktion der Temperatur ist und mit steigender Bausteintemperatur ansteigt (positiver Temperaturkoeffizient).

Innovationen beim Wandlerdesign: Verbesserung des Wirkungsgrad in 48-V-Systemen

Im Automobilbereich gewinnen 48V-Mild-Hybrid-Fahrzeuge zunehmend an Bedeutung. Der Hauptunterschied zwischen Mild-Hybrid- und Standardfahrzeugen ist die Versorgungsspannung der Batterie. Mild-Hybrid-Systeme verwenden eine 48-Volt-Batterie. Da jedoch alle anderen Elemente wie die Steuergeräte 12 V verwenden, wird die Differenz zwischen Eingangs-/Ausgangsspannung deutlich höher. Um die Umwandlung von hohen Spannungen in die niedrigen Spannungen von modernen integrierten Schaltungen in einer einzigen Stufe zu ermöglichen, hat ROHM die Nano Pulse Control™-Wandlertechnologie entwickelt. Durch die Reduzierung der Einschaltzeit des DC/DC-Wandlers von typisch über 100 Nanosekunden auf einige Nanosekunden ermöglichen Komponenten mit Nano-Pulse-Control eine stabile Regelung bei extrem schmalen Pulsbreiten.

Eine technische Hürde, um bei hoher Frequenz aus einer höheren Eingangsspannung eine niedrigere Ausgangsspannung zu erreichen, ist die Verringerung der Schaltpulsbreite. Die Schaltpulsbreite wird mit steigender Eingangsspannung, sinkender Ausgangsspannung und steigender Frequenz schmaler. Daher wird für 48V-Mild-Hybrid-Systeme eine Methode zur Reduzierung der Schaltpulsbreite benötigt. Um die Impulsbreite zu reduzieren, müssen jedoch zunächst Probleme im Zusammenhang mit der Rauschentwicklung beim Schalten gelöst werden.

Die Schaltpulsbreite wird mit steigender Eingangsspannung, sinkender Ausgangsspannung und steigender Frequenz schmaler.
Die Schaltpulsbreite wird mit steigender Eingangsspannung, sinkender Ausgangsspannung und steigender Frequenz schmaler.
(Bild: ROHM Semiconductor GmbH)

Wenn es im IC zum Schaltrauschen kommt, kann der Betrieb instabil werden. Um dies zu verhindern, nutzen konventionelle Steuerungsmethoden die Maskenzeit. Außerdem ist für den Betrieb eine Analogschaltung erforderlich, die eine Verzögerungszeit einführt. Diese beiden Faktoren, die durch den erhöhten Rauschanteil entstehen, vergrößern die Pulsbreite. Es wird eine analoge Steuerung benötigt, die Hochspannungsprozesse und ultraschnelle Impulssteuerungsschaltungen nutzt, um vor dem Entstehen von Rauschen Informationen zu erkennen und entsprechend zu reagieren.

Nano-Pulse-Control-Bauelemente wandeln Spannungen von bis zu 76 V in einer einzigen Stufe auf 2,5 V. Sie erzielen damit wesentlich höhere Wirkungsgrade als bei der Verwendung von mehreren Wandlern. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Hochfrequenz-Schaltkreis (über 2 MHz) zu kleineren Bauteilen führt und die Schaltung weniger Platzbedarf benötigt.

Fortschritte bei Leistungs-MOSFETs reduzieren RON

Vergleich des RON und der Stromkapazität von 5060-Leistungs-MOSFET-Gehäusen, eines mit konventionellem Die-Bonding und eines mit Kupfer-Clip-Technologie.
Vergleich des RON und der Stromkapazität von 5060-Leistungs-MOSFET-Gehäusen, eines mit konventionellem Die-Bonding und eines mit Kupfer-Clip-Technologie.
(Bild: ROHM Semiconductor GmbH)

Der RON-Wert von MOSFETs ist einer der wichtigsten Faktoren, um den Wirkungsgrad von DC/DC-Wandlern zu verringern. Die Minimierung dieses Werts hat deshalb Priorität bei der Realisierung einer einstufigen Spannungswandlung. Eine Technologie zur Reduzierung des RON für Leistungs-MOSFETs sind Kupfer-Clips (Cu-Clips). Bei dieser Technologie wird eine massive Kupferbrücke zwischen der Oberfläche des Leistungshalbleiters und den Gehäuseanschlüssen verwendet. Da die Kupferbrücke eine große Kontaktfläche mit dem Halbleiter hat, leitet sie die Wärmeenergie effizienter zum Kühlkörper. Dadurch sind wesentlich kleinere Kühlkörper erforderlich und die Abmessungen der Leiterplatte verringern sich.

Fazit

Mit zunehmender Verbreitung von High-Voltage-Stromschienen und sinkendem Bedarf an Stromschienen für digitale Schaltungen, steigt die Nachfrage nach hocheffizienter DC/DC-Wandlung. Die Reduzierung der Wandlerstufen auf eine einzige sorgt ebenso wie das innovative, die Leitungsverluste verringernde Design der MOSFETs für große Effizienzsteigerung.

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