A világszerte emelkedő energiaárak és az elektronikai termékek működtetésének növekedő költségei egyre nagyobb súllyal esnek latba a munkában és szórakoztatásban használt elektronikai termékek vásárlásánál. A fejlesztőmérnököknek emiatt feltétlenül szükséges az elektronikai tervezés során figyelembe venniük a fogyasztáscsökkentési lehetőségeket is.A közelmúltban ez többnyire a telepről üzemeltetett eszközöket érintette, hiszen köztudott, hogy a fogyasztás határozza meg az elektronikus eszköz egyetlen töltésről működtetésének hosszát. Ez a trend azonban az utóbbi néhány évben kiterjedt számtalan, közvetlenül az elektromos hálózatról táplált elektronikai termékre is. A "zöld termék" fogalma egy "szükségtelen plusz szolgáltatásból" egy rendkívül fontos piaci trenddé, vonzerővé fejlődött, amelynek nem megfelelni lassan felér egy piaci öngyilkossággal. A legtöbb esetben a hatásfoknövelést architektúra-váltással vagy kis fogyasztást támogató technológiák bevezetésével igyekeznek elérni, egyúttal szinten tartva a teljesítmény- és funkcionalitás-növelési trendeket. Cikkünk egy legújabb generációs NexFET™ teljesítménytranzisztorral megtámogatott, DC/DC-átalakítós rendszeren elemzi a hatásfok-növelési eredményeket

A piacon megannyi olyan nem izolált DC/DC-átalakító található, amelyek 3,3, 5, ill. 12 V-ról processzormag-feszültségi szintre végeznek feszültségátalakítást. A múltban kiválóan teljesítő rendszerek viszont nem felelnek meg szükségszerűen a legújabb, nagyteljesítményű processzorok igényeinek: az egyre több integrált funkciót tartalmazó, és egyre nagyobb teljesítményű processzorok magfeszültsége már bőven 1 V alatt is lehet, áramfelvételük viszont több amperre is rúghat. A gyártástechnológia fejlődésével tehát a point-of-load¹ szabályozóknak is lépést kell tartaniuk. Cikkünkben részleteiben is bemutatjuk az új/megváltozott követelményeket, valamint a legújabb szabályozó- és MOSFET-technológiákat, amelyek támogatják a kerámia tömb-, bypass- és szűrőkondenzátorokat, aktív EMI-szűrést, és kis tűrésű feszültségszabályozást is. Az ismertetett megoldásokkal nagy hatásfokú, kis formatényezőjű és nagy megbízhatóságú rendszerek tervezhetők.

Újgenerációs szabályozási technológiák

Az újgenerációs DC/DC-átalakítókat (mint pl. a TI TPS4030x termékcsalád) a hatásfok szempontjából optimalizálták, és olyan funkciókkal egészítették ki, amelyek igazodnak napjaink nagy bonyolultságú, több egyenfeszültség-szinttel működő processzorai követelményeihez. A TPS4030x család nagyteljesítményű meghajtói például nagyon gyorsan kapcsolják be a külső MOSFET-eket és a teljes terhelés-tartományban gyorsan elérik a nagy hatásfokú működési állapotot. Az integrált diódás boot strap áramkör lehetővé teszi kis R_DS(ON) ellenállású, n-csatornás MOSFET használatát tápoldali kapcsolóként. A TPS4030x nevű, szinkron feszültségcsökkentő konvertercsalád (lásd 1. ábra) 3 ... 20 V bemeneti feszültséget és 3,3, 5 és 12 V buszfeszültséget támogat. A kontrollerek feszültségmódusú vezérlő architektúrán működnek, a frekvencia spektrumszórás (FSS) támogatással pedig az EMI zajszint jelentősen csökkenthető.

A tervezés rugalmasságát a kontrollerek számos programozható funkció formájában támogatják, amelyek közül nem hiányzik az EN/SS kivezetésre kötött kondenzátorral megvalósítható lágystart, a túláram-védelem (OCP) az LDRV/OC kivezetésre kötött ellenállással, valamint a hurokkompenzáció sem. Normál üzemi működés alatt az ellenállással programozott OCP feszültségszintet összehasonlítja a rendszer az alsó oldali MOSFET-en eső feszültséggel, és ez alapján állapítja meg a túláram eseményt. A hibaok megszűnéséig a kontroller ún "hiccup" módban² működik.

A tervezés kihívásai EMI szempontból

Elektronikai ismeretekkel rendelkező berkekben köztudott, hogy a kapcsolóüzemű tápegységek előnyeit némileg ellensúlyozzák a tápimpulzusok magas dv/dt és di/dt változásaiból adódó zajok. Ha a hagyományos EMI zajcsökkentési technikák csődöt mondanak, a frekvencia spektrumszórás lehet a megoldás. A TPS40303x családnál az FSS például egy 267 kΩ ±10% értékű ellenállás BP és EN/SS kivezetés közé csatlakoztatásával aktiválható. Engedélyezett állapotban a konverter egy minimum 12%-os ablakon, 25 kHz-es modulációs frekvenciával és háromszög-profillal szórja a belső oszcillátor frekvenciáját. A kapcsolási frekvencia modulációja oldalsávokat eredményez, az emissziós teljesítmény pedig az alap kapcsolási frekvencia és harmonikusai között kerül felosztásra és a számos oldalsávi frekvencia feletti szétszórásra. Az összhatás nem más, mint a csúcs EMI-zaj jelentős csökkentése, amellyel sokkal könnyebb megfelelni a hivatalos EMI követelményeknek. Az FSS-sel az EMI energia magasabb frekvenciákon akár 10 dB-lel is csökkenthető (lásd 2. ábra).

Tápfeszültség-ütemezés és elővezérelt bekapcsolás
A processzorgyártók többsége időzítési irányelveket ad meg a processzormag és I/O-k bekapcsolására. Ha tisztázottak a teljes rendszer időzítési követelményei, kiválasztható a megfelelő technika. Számos megoldás létezik egy többfeszültségű tápegység fel- és lekapcsolására: ezek a szekvenciális, "ratiometric"³ és egyidejű módszerek. Továbbá sok alkalmazásban van szükség elővezérelt ("pre-biased") bekapcsolásra is.

A szekvenciális ütemezés akkor alkalmazható, ha a mag- és I/O-feszültség felkapcsolása között a megengedett, rendelkezésre álló idő rövid. A sorrend ilyenkor tetszőleges lehet. A TPS4030x esetében a legegyszerűbb módszer ennél a technikánál a kontroller PGOOD kivezetésének a másik kontroller EN/SS kivezetésére csatlakoztatása.

A "ratiometric" ütemezésnél két vagy több konverter EN/SS kivezetését egyszerűen össze kell kötni. Ez az egyszerű technika lehetővé teszi egyetlen, közös lágystart kondenzátor több áramforrásból töltését, és minden kontroller ugyanabban az időpillanatban ugyanolyan felfutással és terjedéssel jellemezhető.

Az elővezérelt bekapcsolású rendszerekben az I/O feszültséget a processzor-magfeszültség előtt kapcsolják fel, a két feszültség között pedig egy minimális eltérésnek biztosan lennie kell. A 3. ábrán láthatunk egy elővezérelt bekapcsolásnál tapasztalható hullámformát. Ilyen esetben a processzor gyártója azt javasolja, hogy a magfeszültséget a bekapcsolás előtt diódákkal elővezéreljük, ez megadja ugyanis a szükséges minimális különbséget a mag- és I/O-feszültség között.

Szinkron feszültségcsökkentő DC/DC-átalakító használatakor meg kell bizonyosodni a felől, hogy az alsó oldali MOSFET a felállási fázisban kikapcsolt állapotban van, vagy a már magra kapcsolt vezérlőfeszültség leföldelésre kerül a konverter bekapcsolási fázisának idejére. Ennél fennáll a külső söntdiódák sérülésének veszélye. A mag felkapcsolásánál a magfeszültséget a vezérlőfeszültségről kell felemelni a szükséges szintre.

Ugyanez a helyzet előállhat akkor is, ha a kondenzátortelep előtöltött állapotban marad egy rövid ideig tartó, átmeneti táphibából kifolyólag. Mivel a többfeszültségű rendszereknél ez komoly kárt okozhat a többfeszültségű processzorok ESD-struktúrájában, a javaslat az, hogy olyan elővezérlést támogató kontrollereket használjunk, amelyeknél a szinkron MOSFET a felállási fázisban kikapcsolt állapotban tartható.

NexFET: új standard a teljesítmény MOSFET-eknél

Az 1980-as években a MOSFET-gyártóknál az ún. planáris áramkörépítési technológia dominált (lásd 4. ábra). A MOSFET-eknél sarkalatos kérdést jelentő, bekapcsolási ellenállás csökkentése miatt a gyártók a 90-es évektől alkalmazták az árok struktúrát. Az indok erre a lépésre az volt, hogy az alacsonyabb R_DS(ON) ellenállású FET-ekkel a point-of-load alkalmazásokban nagyobb áramsűrűség érhető el. Az árok struktúra negatívuma a gate-drain és gate-source elektródák közötti, nagy értékű Miller-kapacitás megléte, amelyek miatt a tranzisztor kapcsolásához nagyobb mennyiségű töltésre van szükség. Ez nagy veszteségeket okoz a kontroller meghajtó körében és a MOSFET-ben kapcsolás alatt, ezáltal érthető, hogy ebben az időben a tervezők vonakodtak a kapcsolási frekvencia emelésétől, hiszen nem szívesen hoztak áldozatot a hatásfok oltárán.

A NexFET teljesítmény MOSFET-ek 2007-ben mutatkoztak be kereskedelmileg. A NexFET eszközök bekapcsolási ellenállása hasonló a TrenchNET® struktúrájú eszközökéhez, a Miller-kapacitások viszont sokkal kevésbé számottevőek. Az R_DS(ON) x Q_g és R_DS(ON) x Q_gd vonatkozásában a korábbi technológiákhoz képest ez kb. 50% javítási tényezőt jelent. A nagyobb jósági tényező adott frekvencián nagyobb hatásfokú működést tesz lehetővé, a technológiával továbbá laposabb teljesítményveszteségi görbe érhető el, amely kitolja a kapcsolási frekvencia és a teljesítménysűrűség felső határát.

Az impozáns végeredmény

A legújabb generációs DC/DC-átalakítók és a NexFET tranzisztorok kombinációjából kiváló teljesítményű és hatásfokú (lásd 5. ábra) rendszer születhet, amely alkalmas a többfeszültségű mikroprocesszorokhoz is. A megtervezett áramkör hatásfoka meghaladja a 90%-ot is 20 A kimenetnél és 600 kHz kapcsolási frekvenciánál. A hatásfokfüggvény karakterisztikája a DC/DC-kontroller és a NexFET-ek alacsony kapcsolási vesztesége miatt a teljes terhelési spektrumon lapos, a nagy teljesítmény pedig még a bemeneti feszültség 3,3 V-ról 12 V-ra emelésénél is megmarad. Normális esetben 12 V-on a könnyű terhelési hatásfok lényegesen alacsonyabb 5 A alatt.

A Texas Instruments honlapja

1: Point-of-Load (PoL): a PoL rendszerekben az egyedi tápfeszültség-forrásokat azok felhasználási pontjához közel helyezik el. A PoL szabályozás alkalmas többfeszültségű, nagy bonyolultságú, nagy áramfelvételű és zajra érzékeny mikroprocesszoros alkalmazásra is.
2: A "hiccup" működés lényege, hogy túláram esetén a kontroller adott időre lekapcsolja a tápegységet, majd később megkísérli újra felkapcsolni azt. Ha időközben a túláramot kiváltó esemény megszűnt, a tápegység normál üzembe tér vissza, ellenkező esetben elölről kezdődik a ciklus és addig tart, amíg a túláram esete fennáll.
3: A "ratiometric" kifejezés arra utal, ha a rendszerben a kimeneti feszültség és a bemeneti feszültség között bizonyos arányszámú összefüggés van (pl. ha a bemeneti feszültséget megduplázzuk, annak hatására a kimeneti feszültség és megduplázódik).