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Synchroner Abwärtsregler mit hoher Effizienz bei hoher Schaltfrequenz

Der zweikanalige Abwärtsregler ermöglicht große Spannungsreduzierungs-Verhältnisse und besticht vor allem durch seine geringen EMI-Emissionen. Die Integration der Leistungs-MOSFETs und der Bypass-Kondensatoren trägt ferner zur Minimierung der Lösungsabmessungen bei.

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Bild 1: Auf dem LT8652S basierender synchroner Abwärtswandler mit zwei Ausgängen und extrem geringen EMI-Emissionen zur Umwandlung von 12 V in 3,3 V und 1,2 V
Bild 1: Auf dem LT8652S basierender synchroner Abwärtswandler mit zwei Ausgängen und extrem geringen EMI-Emissionen zur Umwandlung von 12 V in 3,3 V und 1,2 V
(Bild: Analog Devices )

Der LT8652S ist ein zweikanaliger, synchroner, monolithischer Abwärtsregler für einen Eingangsspannungsbereich von 3 V bis 18 V. Er kann auf beiden Kanälen gleichzeitig einen Dauerstrom von bis zu je 8,5 A liefern und ermöglicht auf jedem Kanal einzeln Lastströme bis zu 12 A. Der Baustein arbeitet mit Spitzenstrom-Regelung (Peak Current Mode) mit einer minimalen Einschaltzeit von nur 20 ns, was selbst bei hohen Schaltfrequenzen ein hohes Spannungsreduzierungs-Verhältnis ermöglicht. Steile und saubere Schaltflanken mit geringen Überschwingern ergeben auch bei hohen Schaltfrequenzen einen hohen Wirkungsgrad, sodass daraus insgesamt auch geringe Lösungsabmessungen resultieren.

Der LT8652S erlaubt kompakte Lösungen im Verbund mit einem niedrigen EMI-Aufkommen, was sonst nur bei wenigen anderen Lösungen möglich ist. Der Baustein basiert auf der proprietären Silent Switcher® 2 Architektur, die die elektromagnetischen Störaussendungen minimiert und gleichzeitig für hohe Effizienz bei hohen Schaltfrequenzen sorgt. Die Bypass-Kondensatoren sind bei dieser Architektur in das Gehäuse integriert, sodass Schleifen, in denen steile Stromflanken auftreten können, sich werksseitig mit einem optimalen Layout realisieren lassen. Da die Lösungen folglich nicht durch das applikationsspezifische Layout beeinflusst werden, lassen sich die spezifizierten EMI-Eigenschaften problemlos umsetzen. Insgesamt stellt der LT8652S somit eine nahezu umgehend einsatzbereite Lösung für störsensible Anwendungen und Umgebungen dar.

In batteriebetriebenen Anwendungen ist die Stromaufnahme bei geringer Last oder ganz ohne Last (Leerlaufbetrieb) eine entscheidende Größe, denn durch das Minimieren dieses Stroms lässt sich die Batterielaufzeit verlängern. Tatsache ist, dass sich die meisten Anwendungen während des Großteils der Zeit im Leerlaufbetrieb befinden. Mit nur 16 µA im Burst Mode® kommt der LT8652S auf eine äußerst geringe Ruhestromaufnahme, was der Batterie zu einer möglichst langen Laufzeit verhilft.

Der obere und der untere N-Kanal-MOSFET sind in den Baustein integriert und tragen zu seiner eindrucksvollen Effizienz bei geringer Last bei. Darüber hinaus wartet der LT8652S mit einer Betriebsart auf, die ein Verlassen des nicht-lückenden Betriebs verhindert und damit für ein kontrolliertes Oberschwingungs-Aufkommen über den gesamten Laststrombereich sorgt, wobei die EMI-Emissionen durch den optionalen Spread-Spectrum-Betrieb weiter eingedämmt werden.

Der LT8652S kann wahlweise mit interner oder externer Kompensation betrieben werden. Erstere ergibt dank des minimierten Aufwands an externen Bauelementen kleinere Lösungsabmessungen. Letztere erfolgt über die VC-Pins und sorgt für ein schnelles Einschwingverhalten bei hohen Schaltfrequenzen. Die VC-Pins vereinfachen außerdem die Stromaufteilung auf die zwei Kanäle, wenn beide im Parallelbetrieb arbeiten und an einem Ausgang herausgeführt werden.

Die Pins CLKOUT und SYNC eignen sich darüber hinaus zum Synchronisieren weiterer LT8652S, um noch höhere Ströme zu ermöglichen. Um in Anwendungen mit niedrigen Spannungen und hohen Strömen für eine genaue Regelung der Ausgangsspannung an der Last zu sorgen, bietet der LT8652S die Möglichkeit der differenziellen Ausgangsspannungs-Erfassung, die die Verwendung von Kelvin-Verbindungen zum Erfassen der Ausgangsspannung und des Feedback-Signals direkt am Ausgangskondensator gestattet.

In bestimmten Hochstrom-Anwendungen wird für Telemetrie- und Diagnosefunktionen eine Information über den Ausgangsstrom benötigt. Um Schäden am angeschlossenen Verbraucher zu vermeiden, kann ein Begrenzen oder Herabsetzen des maximalen Ausgangsstroms in Abhängigkeit von der Temperatur nötig sein. Die IMON-Pins des LT8652S können für dieses Überwachen und Reduzieren des Laststroms genutzt werden. Ein Derating anhand des Laststroms oder der Leiterplattentemperatur lässt sich mithilfe eines PTC-Thermistors zwischen IMON und GND programmieren. Durch Vergleichen der Spannung am IMON-Pin mit der internen 1-V-Referenz kann der LT8652S den Laststrom oder die Leiterplattentemperatur effektiv regeln. Sinkt die Spannung an IMON unter 1 V, bleibt eine Wirkung aus.

Aufbau und Funktionsweise der Schaltung

Bild 2: Wirkungsgrad als Funktion des Laststroms für den LT8652S-basierten synchronen Abwärtswandler (12 V auf 3,3 V und 1,2 V) aus Bild 1
Bild 2: Wirkungsgrad als Funktion des Laststroms für den LT8652S-basierten synchronen Abwärtswandler (12 V auf 3,3 V und 1,2 V) aus Bild 1
(Bild: Analog Devices )

In Bild 1 ist das Schaltbild einer Stromversorgung mit 2 MHz Schaltfrequenz zu sehen, die Eingangsspannungen von 3,6 V bis 18 V in Ausgangsspannungen von 3,3 V (8,5 A) und 1,2 V (8,5 A) verwandelt. Jeder Kanal einzeln kann einen Laststrom von bis zu 12 A liefern. Zum Komplettieren der Lösung sind nur wenige zusätzliche Bauelemente erforderlich, darunter Induktivitäten und einige passive Bauteile. Wie in Bild 2 zu erkennen ist, erzielt die Schaltung aus Bild 1 einen maximalen Wirkungsgrad von 94%.

Differenzielle Spannungserfassung ergibt exakte Lastregelung

Bild 3: Lastregelung und Konstantspannungs-/Konstantstrom (CVCC)-Eigenschaften
Bild 3: Lastregelung und Konstantspannungs-/Konstantstrom (CVCC)-Eigenschaften
(Bild: Analog Devices )

In Anwendungen mit hohen Strömen kann an jedem Zentimeter Leiterbahn ein erheblicher Spannungsabfall entstehen, was bei Verbrauchern, die niedrige Spannungen und hohe Ströme erfordern und eine exakte Spannungsregelung voraussetzen, ernste Probleme hervorrufen kann. Die differenzielle Ausgangsspannungs-Erfassung des LT8652S jedoch erlaubt dem Anwender die Nutzung von Kelvin-Verbindungen zur Erfassung der Ausgangsspannung und des Feedback-Signals direkt am Ausgangskondensator. Er kann Abweichungen des ausgangsseitigen Massepotenzials um bis zu ±300 mV korrigieren. Aus Bild 3 geht die Lastregelung beider Kanäle der Schaltung aus Bild 1 bei Verwendung der differenziellen Spannungserfassung hervor.

Hohe Schaltfrequenz, extrem niedrige EMI-Emissionen und verbesserte thermische Eigenschaften

Bild 4: Abgestrahlte EMI-Emissionen der Schaltung aus Bild 1 gemäß CISPR 22
Bild 4: Abgestrahlte EMI-Emissionen der Schaltung aus Bild 1 gemäß CISPR 22
(Bild: Analog Devices )

In vielen Einsatzgebieten elektronischer Systeme ist die elektromagnetische Verträglichkeit zu einem wichtigen Aspekt geworden. Mit seinen integrierten MOSFETs, seiner fortschrittlichen Prozesstechnologie und seiner Eignung für Schaltfrequenzen bis zu 3 MHz erzeugt der LT8652S steile, saubere und durch geringe Überschwinger gekennzeichnete Schaltflanken, was auch bei hohen Schaltfrequenzen einen hocheffizienten Betrieb gestattet und kleine Lösungsabmessungen ermöglicht.

Bild 5: Abgestrahlte EMI-Emissionen der Schaltung aus Bild 1 gemäß CISPR 25 Klasse 5
Bild 5: Abgestrahlte EMI-Emissionen der Schaltung aus Bild 1 gemäß CISPR 25 Klasse 5
(Bild: Analog Devices )

Mittels der Silent-Switcher-2-Technologie und der integrierten Hot-Loop-Kondensatoren bringt es der LT8652S auf hervorragende EMI-Eigenschaften und geringere Schaltverluste. Ein Variieren der Schaltfrequenz nach dem Spread-Spectrum-Prinzip kann ebenfalls dazu beitragen, dass die EMI-Prüfungen bestanden werden. Die Tatsache, dass die Hot-Loop-Kondensatoren in den Baustein integriert sind, macht die Schaltungen unempfindlich gegenüber dem Layout und der Lagenanzahl der jeweiligen Leiterplatte. In den Bildern 4 und 5 sind die EMI-Eigenschaften der Schaltung aus Bild 1 gemäß CISPR 22 und CISPR 25 Klasse 5 dargestellt.

Zusammenfassung

Der LT8652S ist ein einfach anzuwendender, monolithischer Abwärtsregler mit integrierten Leistungs-MOSFETs und eingebauten Kompensationsschaltungen. Der Baustein ist für Anwendungen mit großen Spannungsreduzierungs-Verhältnissen, hohen Lastströmen und der Forderung nach geringen EMI-Emissionen optimiert. Die Ruhestromaufnahme von 16 µA und der Betrieb im Burst Mode machen ihn zur idealen Lösung für batteriebetriebene Abwärtswandler, die dadurch auf erheblich längere Batterielaufzeiten kommen. Aufgrund seiner auf Werte zwischen 300 kHz und 3 MHz einstellbaren Schaltfrequenz kommt der LT8652S für die meisten Industrie- und Automotive-Anwendungen in Frage.

Die integrierten MOSFETs und die Eignung für bis zu 3 MHz Schaltfrequenz lassen ein Minimieren der finalen Lösungsabmessungen zu. Die Testergebnisse gemäß CISPR 22 und CISPR 25 lassen erkennen, dass die abgestrahlten EMI-Emissionen des LT8652S die strengsten EMI-Normen einhalten. Schließlich sorgt die Silent-Switcher-2-Architektur dafür, dass die Leistungsfähigkeit des LT8652S nicht von Modifikationen am Layout beeinflusst wird, wodurch sich das Leiterplattendesign vereinfacht.

Weitere Informationen zu LT8652S

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