Hocheffizienter µModule-Regler für Ausgangsspannungen von 0,5 bis 3,3V

| Autor: Haihua Zhou, Jian Li und Simon Tian

Design Note 581
Design Note 581 (Bild: Analog Devices)

Der µModule-Regler LTM4678 besitzt zwei Ausgänge für je 25 A, die im phasenversetzten Betrieb für eine geringe Eingangswelligkeit sorgen. Bei erhöhtem Strombedarf lässt sich der Baustein auf einfache Weise und mit ausgewogener Stromaufteilung parallelschalten.

FPGA-Boards, Prototypen und Prüf- und Mess-Anwendungen verlangen nach vielseitigen Stromversorgungs-Lösungen mit hoher Leistungsdichte. Der LTM4678 ist ein µModule-Regler mit zwei 25-A-Ausgängen oder einem 50-A-Ausgang, digitalem Power System Management (PSM) und einem Footprint von 16 mm x 16 mm. Seine Features sind:

  • Zwei digital einstellbare, analoge Regelkreise mit digitaler Schnittstelle für Steuerungs- und Überwachungszwecke
  • Großer Eingangsspannungsbereich: 4,5 V bis 16 V
  • Großer Ausgangsspannungsbereich: 0,5 V bis 3,3 V
  • ±0,5 % maximaler DC-Ausgangsfehler über den Temperaturbereich
  • ±5 % Stromerfassungs-Genauigkeit
  • Strommessung per DCR im Sub-Milliohm-Bereich
  • Integrierter Verstärker zur Erfassung des Eingangsstroms
  • PMBus-konforme, serielle 400 kHz I2C-Schnittstelle
  • Telemetrie-Erfassungsraten bis zu 125 kHz
  • Integrierter 16bit-ΔΣ-ADC
  • Konstantfrequenz, Regelung der Ausgangsspannung nach dem Current-Mode Prinzip
  • Parallelbetrieb mit ausgewogener Stromaufteilung
  • CoP-BGA-Gehäuse mit Abmessungen von 16 mm x 16 mm x 5,86 mm

I2C-basierte PMBus-Schnittstelle und programmierbare Regelkreis-Kompensation

Der LTM4678 gehört zur Power System Management (PSM) µModule-Familie von ADI und kann deshalb über eine digitale PMBus/SMBus/I2C-Schnittstelle konfiguriert und überwacht werden. Das PC-basierte LTpowerPlay®-Tool ermöglicht die visuelle Überwachung und Einstellung der Versorgungsspannung, des Stroms, der Leistungsaufnahme, des Sequencings, des Marginings und der Fehleraufzeichnungs-Daten. Der LTM4678 ist der erste µModule-Regler mit programmierbarer Regelkreis-Kompensation (gm und RTH), was den Zeitaufwand für das Design erheblich reduziert, da die dynamische Abstimmung der Leistungsfähigkeit ohne ein umständliches Bauen und Modifizieren von Leiterplatten möglich ist.

CoP-BGA-Gehäuse ergibt bessere thermische Eigenschaften, kleine Abmessungen und hohe Leistungsdichte

Ein thermisch optimiertes Component-on-Package- (CoP) BGA-Gehäuse erlaubt die Unterbringung des mit hoher Leistung arbeitenden auf einer Leiterplattenfläche von 16 mm x 16 mm. Die Induktivitäten sind gestapelt angeordnet und dienen als Kühlkörper für eine effiziente Wärmeableitung.

Dank Stromregelung problemlos auf höhere Ströme skalierbar

Der LTM4678 arbeitet mit der Peak-Current-Mode-Regelung. Der Strom wird zyklusweise überwacht und geregelt, was die gleichmäßige Aufteilung des Stroms auf mehrere Phasen ermöglicht.

Weitere besondere Eigenschaften

  • Zweikanalige Fernabtastung des Ausgangs kompensiert Leiterbahn-Spannungsabfälle in Anwendungen mit hohen Stromstärken
  • Der über den Temperaturbereich maximal ±0,5 % betragende DC-Ausgangsfehler sorgt für zusätzlichen Regelungsspielraum
  • Die direkte Erfassung des Eingangsstroms liefert präzise Informationen über die Strom- und Leistungsaufnahme
  • Spezielle PGOOD-Pins signalisieren nachfolgenden Systemen, wenn sich die Ausgangsspannung im Regelbereich befindet
  • EXTVCC-Pin sorgt für maximale Effizienz bei hohen Eingangsspannungen

Wandler mit zwei Ausgängen (1 V bei 25 A und 1,8 V bei 25 A)

Bild 1 zeigt eine typische Lösung für Eingangsspannungen von 5,75 V bis 16 V und zwei Ausgängen. Die beiden Kanäle des LTM4678 arbeiten um 180° phasenversetzt, um die Welligkeit des Eingangsstroms zu verringern und mit kleineren Kondensatoren auszukommen.

Wie Bild 2 verdeutlicht, beträgt der Wirkungsgrad der Gesamtlösung im erzwungen nicht-lückenden Betrieb (Continuous Conduction Mode, CCM) 85,8 % bei 1,0 V/25 A am Ausgang bzw. 90,4 % bei 1,8 V/25 A am Ausgang.

Bild 3: Thermische Eigenschaften des Wandlers mit zwei Ausgängen
Bild 3: Thermische Eigenschaften des Wandlers mit zwei Ausgängen (Bild: Analog Devices)

Bild 3 gibt die thermischen Eigenschaften des LTM4678 bei VIN = 12 V, VOUT0 = 1,0 V/25 A und VOUT1 = 1,8 V/25 A mit einem Luftstrom von 200 LFM wieder. Die Temperaturzunahme am Hot Spot (dies ist die Induktivität von Kanal 1) beträgt 63 °C bei einer Umgebungstemperatur von rund 24 °C.

Mehrphasiger Wandler mit einem Ausgang für hohe Ströme (12 V auf 1 V bei 250 A)

Der LTM4678 kann für Anwendungen mit höherem Strombedarf als mehrphasiger Wandler mit einem Ausgang konfiguriert werden. Das Blockschaltbild in Bild 4 zeigt, wie sich mehrere LTM4678 zusammenschalten lassen. Zur Anhebung des Ausgangsstroms müssen lediglich weitere LTM4678 hinzugefügt und die jeweiligen VIN-, VOUT-, VOSNS+-, VOSNS−-, PGOOD-, COMPa/b-, RUN-, FAULT-, SYNC- und GND-Pins miteinander verbunden werden.

Bild 5: Stromaufteilung auf fünf LTM4678 (entspricht zehn parallelen Phasen)
Bild 5: Stromaufteilung auf fünf LTM4678 (entspricht zehn parallelen Phasen) (Bild: Analog Devices)

Aus Bild 5 lassen sich die Ströme der einzelnen Phasen einer Parallelschaltung aus fünf LTM4678 (zehn Phasen) entnehmen. Die maximale Stromdifferenz zwischen den Phasen beträgt 0,75 A (das sind 3 % bezogen auf 25 A) und lässt somit auf eine ausgewogene Stromaufteilung schließen.

Bei Bild 6 handelt es sich um ein Wärmebild einer Parallelschaltung aus fünf LTM4678 bei einem Ausgangsstrom von 220 A und einem Luftstrom von 450 LFM. Der maximale Temperaturunterschied zwischen den fünf µModule-Reglern beträgt 10 °C. Das komplette Schaltbild einer achtphasigen Lösung ist in Bild 7 dargestellt.

Fazit

Der µModule-Regler LTM4678 stellt eine vielseitige und leistungsfähige Stromversorgungs-Lösung dar, die sich bei einem Platzbedarf von nur 16 mm x 16 mm durch einen hohen Wirkungsgrad und hohe Leistung auszeichnet. Dank seiner kleinen Abmessungen und seiner einfachen Anwendung eignet sich der LTM4678 ideal für Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen, wie etwa für FPGA-Boards. Mehrere LTM4678 lassen sich parallelschalten und mehrphasig betreiben, wenn beispielsweise für Telekommunikations- und Datenkommunikations-Systeme sowie Industrie- und Computersysteme höhere Ströme benötigt werden.