DC/DC-Wandler Mit Stromversorgungssystem-Management via I²C/PMBus

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

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Der LTC3883/-1 von Linear Technology ist ein Synchron-DC/DC-Abwärtsreglercontroller mit I2C-basierter PMBus-Schnittstelle für das digitale Management von Stromversorgungssystemen. Der Controller wird von der Entwicklungsumgebung LTpowerPlay durch eine intuitive grafische Benutzerschnittstelle (GUI) unterstützt.

Mit dem LTC3883 lassen sich die Stromversorgungsparameter digital programmieren und abfragen sowie kritische Funktionen von Point-of-load-Spannungswandlern in Echtzeit steuern und überwachen. Programmierbar sind u.a. die Ausgangsspannung, zulässige Toleranzen und Stromgrenzwerte, Eingangs- und Ausgangsüberwachungsgrenzwerte, Schaltfrequenz und Tracking-Verhalten. Integrierte Präzisions-Datenkonverter und ein integriertes EEPROM ermöglichen die Erfassung und nichtflüchtige Speicherung von Regler-Konfigurationseinstellungen und Telemtrie-Variablen wie Eingangs- und Ausgangsspannungen/-ströme, Tastverhältnis, Temperatur und Fehlerprotokollierung.

Die grafische Entwicklungsumgebung LTpowerPlay ermöglicht es, Konfigurationsdaten für das LTC3883 schnell und einfach über die serielle I2C-Schnittstelle in das interne EEPROM zu laden. Dank der chip-intern gespeicherten Konfigurationsdaten kann der Controller autonom hochfahren, ohne den Host-Prozessor zu belasten. Standardeinstellungen für Ausgangsspannung, Schaltfrequenz, Phase und Geräteadresse können über externe Spannungsteiler vorgegeben werden. Es besteht die Möglichkeit, ein und dieselbe Hardware auf einfache Weise per Firmware für unterschiedliche Anwendungen zu kalibrieren und zu konfigurieren.

In Anwendungen, die hohe Ströme und/oder mehrere Ausgänge erfordern, können unter Verwendung mehrerer LTC3883 bis zu sechs Phasen verschachtelt und parallelgeschaltet werden; durch die gleichmäßige Aufteilung der Last auf mehrere ICs werden die Anforderungen an die Eingangs- und Ausgangsfilter minimiert. Typische Anwendungen sind Hochstrom-Stromversorgungen für ASICs, FPGAs und Prozessoren in Telekommunikations-, Datenkommunikations, Computer- und Speichersystemen.

Der Controller LTC3883 enthält integrierte Hochstrom-Gate-Treiber zur Ansteuerung von n-Kanal Leistungs-MOSFETs aus Eingangsspannungen von 4,5 bis 24 V. In Verbindung mit geeigneten externen Leistungs-MOSFETs kann er Ausgangsspannungen von 0,5 bis 5,5 V mit einer Genauigkeit von ±0,50% bei Ausgangsströmen bis zu 30 A pro Phase liefern; die genannten Spezifikationen gelten über den gesamten Betriebstemperaturbereich. Ein integrierter Verstärker ermöglicht eine echt-differenzielle Spannungsüberwachung unmittelbar an der Last und eine hochgenaue Regelung mit Kompensation des Spannungsabfalls über den Lastleitungen. Zur Messung des Ausgangsstroms kann wahlweise der Spannungsabfall über der Ausgangsinduktivität (DCR) oder der Spannungsabfall über einem externen Widerstand herangezogen werden. Mit dem erstgenannten Verfahren erzielt man den höchsten Wirkungsgrad. Eine programmierbare DCR-Temperaturkompensation gewährleistet eine präzise und stabile Überstrombegrenzung über einen weiten Temperaturbereich. Mit der kurzen Mindest-On-Zeit von nur 90 ns eignet sich der LTC3883 für kompakte Hochfrequenzspannungswandler mit hohem Abwärtsverhältnis. Hochgenaues Timing über mehrere Chips hinweg sowie ereignis- oder zeitgesteuertes Sequencing ermöglichen optimales Hoch- und Herunterfahren von komplexen Systemen mit mehreren Stromversorgungsschienen. Der Chip ermöglicht es zudem, Identifikations- und Rückverfolgbarkeitsdaten zu speichern und bietet eine in jedem Zyklus wirksame Strombegrenzung, eine programmierbare Soft-Start-Funktion, eine synchronisierbare Schaltfrequenz und programmierbare GPIO-Anschlüsse zur Statusanzeige und zum autonomen Wiederanlauf nach einem Fehler.

Darüber hinaus enthält der Chip einen LDO zur Versorgung des Controllers und des Gate-Treibers; die Version LTC3883-1 ermöglicht die Maximierung des Wirkungsgrads durch Verwendung einer externen Bias-Spannung. Beide Versionen besitzen ein thermisch optimiertes, 5 mm x 5 mm großes QFN-32-Gehäuse. Die „Extended Temperature“-Version ist für den Sperrschichttemperaturbereich von –40 bis 105 °C spezifiziert. Die „Industrial-Grade“-Version ist für den Sperrschichttemperaturbereich von –40 bis 125 °C spezifiziert.

Die wichtigsten Leistungsmerkmale des LTC3883/-1:

  • Synchron-DC/DC-Abwärtsreglercontroller mit leistungsstarken, integrierten n-Kanal-MOSFET-Treibern,
  • I2C/PMBus-konforme serielle Schnittstelle,
  • internes EEPROM,
  • programmierbare Parameter: VOUT, ILIM, Sequencing, Margining, OV/UV-Pegel, Schaltfrequenz und Strombegrenzung,
  • Telemetrie-Variablen für Systemmanagement: VIN, IIN, VOUT, IOUT, Tastverhältnis, Temperatur, Fehlerstatus und Logging,
  • VIN-Bereich: 4,5 bis 24 V,
  • VOUT-Bereich: 0,5 bis 5,5 V,
  • ±0,5% DC-Ausgangsspannungstoleranz über den vollen Sperrschichttemperaturbereich,
  • Strommessung über RSENSE oder DCR (temperaturkompensiert),
  • PolyPhase-Betrieb mit bis zu sechs Phasen,
  • PLL-synchronisierbare, feste Schaltfrequenz zwischen 250 kHz und 1 MHz.

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