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VID-Controller und Phase Extender liefern bis zu 120 A FPGAs, ASICs und Prozessoren effizient und präzise versorgen

FPGAs, ASICs und Prozessoren in leistungsfähigen Server-, Netzwerk- und Computersystemen nehmen immer mehr Strom auf, sodass Lastströme von 100 A und mehr inzwischen nichts Ungewöhnliches mehr sind. Parallel dazu gehen die Betriebsspannungen dieser Chips auf 0,9 V und weniger zurück, wobei die Anforderungen an die Regelgenauigkeit steigen.

Bild 1. Vierphasiger, VID-geregelter Wandler mit 400 kHz Schaltfrequenz und einem Ausgangsstrom von 120 A
Bild 1. Vierphasiger, VID-geregelter Wandler mit 400 kHz Schaltfrequenz und einem Ausgangsstrom von 120 A
(Bild: Linear Technology)

In vielen dieser Anwendungen kann es außerdem notwendig sein, die Core-Spannung mithilfe einer VID-Schnittstelle (Voltage Identification) im Interesse optimaler Performance einzustellen. Für Netzteilentwickler stellt es eine immense Herausforderung dar, die Forderungen nach hohem Wirkungsgrad und genauer Regelung der Ausgangsspannung mit einer Lösung zu erfüllen, die sich mit wenig Leiterplattenfläche begnügt.

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Eine Möglichkeit, diesen Anforderungen gerecht zu werden, bietet der Chipsatz aus LTC3877 und LTC3874. Der LTC3877 ist ein im Peak Current Mode arbeitender, per VID gesteuerter synchroner Abwärtswandler mit zwei Ausgängen. Die Ausgangsspannung von Phase 1 lässt sich über das 6-Bit-parallele VID-Interface in 10-mV-Schritten auf Werte zwischen 0,6 V und 1,23 V programmieren.

Phase 2 stellt eine Ausgangsspannung von 0,6 V bis 5 V bereit, die durch einen externen Teiler festgelegt wird. Beide Phasen können im Interesse eines höheren Ausgangsstroms miteinander oder mit den Phasen eines weiteren LTC3877 oder LTC3874 parallelgeschaltet werden.

Beim LTC3874 handelt es sich um einen im Peak Current Mode arbeitenden Phase-Extender-Chip. Dieser verfügt über keinen eigenen Fehlerverstärker, sondern reguliert seinen Phasenstrom gemäß dem ITH-Signal des als Master fungierenden LTC3877. Aufgrund des ausgeklügelten Designs des LTC3874 verringert sich die Zahl der Leiterbahnen und die benötigte Leiterplattenfläche. Während der LTC3877 in einem 7 mm x 7 mm großen QFN-44-Gehäuse angeboten wird, ist der Slave-Controller LTC3874 in einem 4 mm x 5 mm messenden QFN-28-Gehäuse untergebracht.

PolyPhase-Design mit hohem Genauigkeits- und Effizienzniveau

Der in Bild 1 gezeigte vierphasige Abwärtswandler nutzt den LTC3877 und den LTC3874 zur Bereitstellung einer VID-geregelten Ausgangsspannung von 0,6 V bis 1,23 V bei einem maximalen Laststrom von 120 A und einer Schaltfrequenz von 400 kHz. Der LTC3877 sorgt über den Temperaturbereich hinweg für eine Gesamt-Regelgenauigkeit aller VID-Sollwerte von ±1 %.

Der differenzielle Fernabtastverstärker im LTC3877 misst die Ausgangsspannung am Regelungspunkt und kompensiert etwaige Spannungsabfälle entlang der Leiterbahnen und Masseflächen. Der vierphasige Betrieb reduziert die Welligkeit der Ausgangsspannung und sorgt dank der kürzeren Taktverzögerungen für eine schnellere Reaktion auf Lastsprünge.

Der hohe Wirkungsgrad ist das Ergebnis der leistungsfähigen Gatetreiber und der kurzen Totzeiten beider Chips, der MOSFET-Auswahl und der verwendeten Ferritkern-Induktivitäten mit Gleichstromwiderständen (DCR) von weniger als 1 mΩ. Der Volllast-Wirkungsgrad bei 1,2 V Ausgangsspannung und 120 A Laststrom beträgt 88,8 %, wie in Bild 2 zu sehen ist.

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