POL-omvandlare för låg effekt av typen buck-regulator har utvecklats dramatiskt och då speciellt för nätverkskommunikations- och lagringsmarknaderna. Mehrzad Koohian, Staff Field Engineer, International Rectifier, ger här en inblick i utvecklingen.

Funktionsspecifika ASIC drar mindre ström än CPUer men ställer allt större krav på noggrannhet och utrymme samt kräver speciella egenskaper. Antalet matningsskenor på ett typiskt moderkort eller linjekort är betydligt fler än antalet högströmsregulatorer (CPU, minne, grafik). Därför är verkningsgraden viktig när man beräknar effektförlusten på alla dessa matningsskenor.
En nyckelfaktor för kortkonstruktörer är möjligheten till att modularisera regulatorn. Konstruktören skapar ett makro som lätt kan porteras vart som helst på kortet utan omkonstruktion eller ny layout. Makrometoden börjar bli vanlig även i tillämpningar för låg effekt eftersom det påtagligt minskar time-to-market genom att tiden för layout och validering minskar.
Den integrerade styrkretsfamiljen IR3837, med styrkrets och MOSFETar på ytan 5×6 mm, är väl lämpad för makrokonstruktioner. Integrering av effekt-MOSFETar minskar parasitiska induktanser och kapacitanser som ofta är till besvär för konstruktörer som försöker undvika EMI och ringningar.

Fig 1. Repetitivt till- och frånslag, V_ut=V_p (spårningsingång). Grön kurva: V_p,  lila: V_ut, brun: Ilast=0 A.

Eftersom samma ”footprint” används för ett brett utbud regulatorer (IR3839, 6A; IR3838, 10A och IR3837,14A) kan en makrolayout användas för alla matningsskenor under 14 A. IR3837/38/39 är regulatorer för enkelspänning. Den interna LDOn i IR3837-familjen ger 5,2 Vcc till den interna MOSFETens gate-styrning. Vcc kan också externt styras upp till 6,5 V genom att gå förbi LDOn och få förbättrad kanalresistans RDS(on) i MOSFETarna.

Spänningar följs åt
Bland de funktioner som på senare tid börjat krävas av nätverkskommunikations-ASICar är spårning mellan olika matningsskenor där regulatorns utspänning nogsamt skall följa en matningsskena på högre spänning vid till- och frånslag. Spänningsskillnaden mellan de två matningsskenorna överskrider aldrig ett diodspänningsfall tills varje matningsskena nått sitt slutvärde. Detta för att undvika överledning mellan matningsskenor genom interna parasitiska dioder i ASICar som har flera matningsspänningar (som de flesta ASIC har).
Samtidig följning förenklar ASIC-konstruktörens uppgift eftersom man annars blir tvungen att lägga in Schottkydioder mellan matningsskenorna eller att noggrant hantera regulatorns reglering under alla lastförhållanden och till- och frånslag för att undvika parasitiska strömmar.
Familjen IR3837 har en dedikerad spårningsingång som kan konfigureras till att spåra en högre spänning på kortet. När denna högre spänning stiger ger en spänningsdelare från denna matningsskena referensspänning till den spårande matningsskenan. När spårningsspänningen överskrider referensingången är spårningen fullbordad och den mycket noggranna referensspänningen övertar regleringen.
Fig 1 och 2 visar spårning under till- och frånslag vid ingen last och vid full last. Notera att de två spänningarna stiger och faller simultant.

Fig 2. Repetitivt till- och frånslag, V_ut=V_p (spårningsingång). Grön kurva: V_p, lila: V_ut, brun: Ilast=14 A.

En annan önskvärd funktion hos regulatorer för nätverkskommunikation och lagringstillämpningar är möjligheten för en D/A-omvandlare (digital/analog-omvandlare) att trimma utgångsspänningen. Då marginalkänslighet används för att testa tåligheten hos en ASIC under den slutliga produktionstestningen (genom att ändra matningsspänningen med t ex ±5 procent för att garantera ASICens funktion under olika funktionslaster) används trimningsfunktionen för att sortera ASICar i grupper.

Kassera färre ASIC
Historiskt har ASIC som inte arbetat optimalt vid nominell matningsspänning kasserats. Genom att trimma utspänningen på regulatorutgången kan utsorterade ASICar arbeta med optimala prestanda genom att justera spänningen med en D/A-omvandlare. IR3738-referensen har konstruerats för att tillåta en extern analog signal, som en D/A-omvandlare, att överstyra den med en ström överstigande 20 µA. Följaktligen kan en prisbillig D/A med låg ström användas för att trimma regulatorreferensspänningen.

Fig 3. Switchning vid 1 MHz med obetydligt pulsbreddsjitter.

Dessutom använder ”power good”-signalen denna externa spänning (i stället för en fast intern referensspänning) för sin fönsterkomparator så att Pgood-kretsen följer den externa D/A-omvandlaren. Detta förenklar både marginalkänsligheten och trimningen så att Pgood förblir stabil även vid stora DAC-spänningsförändringar. Lämnas denna anslutning flytande, övergår styrningen till den interna 0,6 V referensen för normal funktion.

Hög arbetsfrekvens
IR3837-familjen har konstruerats för höga arbetsfrekvenser (1,5 MHz) vid låga pulsbreddsförhållanden. Speciell hänsyn har tagits för att minimera eller eliminera jitter vid så korta pulsbredder. Fig 3 visar funktionen av switchen vid 1 MHz och 0,6 V utspänning med 12 V _in. Pulsbredden är kortare än 50 ns och pulsen uppvisar inget jitter. (Oscilloskopet är inställt på oändlig efterlysning).

Fig 4. Verkningsgraden för IR383X-familjen med V_in=12 V, inkluderande förluster från styrkretsar och induktorer.

Den höga frekvensen medger mindre induktorer vilket i sin tur ger förbättrad respons och verkningsgrad. Med ökad switchfrekvens minskar också utspänningsfallet under transienter genom minskat latensfel och sålunda elimineras behovet av ytterligare kondensatorer.
Gatedrivsteg med hög ström tillsamman med optimerade dödtider ger högre verkningsgrad även vid höga frekvenser. Det är viktigt att notera att snabba, högpresterande MOSFETar måste användas med optimerade styrkretsar för att dra full nytta av förbättrade parametrar som gateladdning, gateresistans och kanalresistans, RDS(on). International Rectifier är fokuserad på just dessa utmaningar och IR3837-familjen har optimerats för de bästa och mest kostnadseffektiva kombinationerna av MOSFETar och gatestyrningar.
Fig 4 visar verkningsgraden hos IR383X-familjen vid specificerade arbetsbetingelser. Verkningsgradskurvorna inkluderar förluster från styrkretsar och induktorer.

Fig 5 visar en infraröd bild av temperaturen i ovanstående testuppsättning (14 A lastström). Notera att temperaturökningen är 60 grader C vid en effektförlust på ungefär 3 W. Detta ger en termisk resistans på 20 C/W på ett kretskort med storleken 3×3 och med 0,3 hg koppar på ovan- och undersidan.

Fig 5. Termisk bild vid V_in=12 V, V_ut=1,8 V, Iut=14 A.

Nätverkskommunikationstillämpningar behöver flera POL-skenor och ofta ända upp till 10 till 15 matningsskenor på samma kort. Med så många switchelement med näraliggande klockfrekvenser är det risk för störningar och/eller överhörning mellan switcharna. IR3837-familjen har en synkroniseringsingång för att möjliggöra extern synkronisering och undvika överhörning och störning mellan matningsskenor. Synkroniseringen gör det också möjligt att använda fasskiftade klockingångar för att minska rippel på inströmmen på samma sätt som rippel på ingångsströmmen kancelleras i flerfasiga omvandlare.
IR3837-familjen har en felförstärkare med stor bandbredd och hög spänningsderivata (”slew rate”) för att möjliggöra hög slingfrekvens (över 100 kHz).
Hög bandbredd och hög ”slew rate” optimerar omvandlarens transientsvar och minskar storlek och kostnad på utgångskondensatorn.
Slutligen har IR3738 en noggrann EN-funktion som kan konfigureras som en UVLO för en annan matningsskena. Dessutom har kretsen överströmsskydd av typen ”hicccup mode”, pre-bias och övertemperaturskydd samt intern mjukstart.
Ett interaktivt Internetbaserat verktyg finns på hemsidan http://mypower.irf.com/SupIRBuck. När väl baskraven är inmatade, kan verktyget generera schema och referenskonstruktion samt ge materiallista (BOM, Bill of Materials), vågformer, uppskattad verkningsgrad och loopkompensering. Dessutom kan man snabbt utföra komplex termisk analys och tillämpningsanalys för att drastiskt snabba upp utvecklingstiden.
På hemsidan www.irf.com finns en komplett guide för kretskortslayout och exempel på regulatorkonstruktion och kretskortsutföranden (utvärderingskortens artikelnummer är IRDC3837/38/39).
Mehrzad Koohian, Staff Field Engineer, International Rectifier

Filed under: Analogteknik