Allein in den letzten zehn Jahren hat sich die Versorgungsspannung hochintegrierter Prozessoren durchschnittlich um
3 V auf einen Schwellenwert von nunmehr oft 0,6 V verringert. Die Leistungsanforderungen für Prozessoren im Server-Bereich, die thermisch begrenzt sind, steigen hingegen auf über 100 W. Der Strombedarf erreicht daher die 100-A-Schwelle am Lastpunkt (POL; Point of Load) – und das bei zunehmend engeren Spannungstoleranzen. Dieser Übergang belastet herkömmliche Stromversorgungen und Schaltkreise erheblich. Systemlieferanten und Bauteilhersteller müssen daher beim Design Kompromisse eingehen und neue Möglichkeiten finden, die geforderten hohen Leistungsdichten umzusetzen.
Warum Point-of-Load-Versorgung?
Die POL-Leistungswandlung erfreut sich seit Jahren zunehmender Beliebtheit. Bei immer höheren POL-Strömen macht es Sinn, eine Versorgungsschiene über ein System zu verteilen und dann vor Ort (am Lastpunkt) die Leistungswandlung durchzuführen, um unterschiedliche Spannungsanforderungen bedienen zu können. Die Vorteile der POL-Wandlung sind bekannt und umfassen die einfache Verteilung und das einfache Routing in komplexen Rack-Systemen; die begrenzte Wärmebildung; die optimale Spannungsregelung und die Systemmodularität, mit der ein Hot-Swapping möglich ist.
Verteilte Stromversorgungsarchitekturen für Systeme mit zahlreichen Prozessoren bauen auf einem Intermediate-DC-Bus (Zwischenversorgung) mit 12 V auf. Die Systemspannung wird dann lokal am Lastpunkt erzeugt. Diese beträgt unter 1 V für Prozessoren und 2 bis 5 V für Peripherie. Dieser Trend setzt sich weiter fort, aber der lokale Strombedarf erreicht mittlerweile Werte, die ein Umdenken bei den physikalischen Randbedingungen erfordern. Entscheidend dabei ist die immer kleiner werdende Core-Spannung des Prozessors. Der Grund dafür ist, dass die dynamische Leistungsaufnahme heute zu einem großen Teil zum Gesamtleistungsverbrauch des Systems beiträgt. Die dynamische Leistungsaufnahme eines Prozessors ist proportional zu seiner Taktfrequenz und dem Quadrat der Versorgungsspannung. Der Trend hin zu kleineren Versorgungsspannungen ist damit offensichtlich (vor allem bei hohen Taktraten). Hinzu kommt, dass bei kleiner werdenden Core-Spannungen die Anforderungen an die Spannungsregelung immer höher werden. Dabei treten mehrere Probleme auf: Enge Toleranzen erfordern kurze Leiterbahnlängen, um Spannungsabfälle zu verringern. Dadurch sind kleinere Energiespeicher wie Kondensatoren erforderlich, um letztendlich die höheren Schaltfrequenzen unterstützten zu können.
Gegen den Trend
Jede Änderung des Power Managements muss sich auf eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads konzentrieren, um nahezu perfekte Werte (größer 95 Prozent) zu erreichen. Heute ist der synchrone Abwärtswandler (Buck-Wandler) am häufigsten in verteilten Stromversorgungsarchitekturen anzutreffen. Zu seinen Vorteilen zählen der relativ einfache Schaltkreisaufbau, der hohe Wirkungsgrad (größer 85 Prozent) und seine geringen Kosten.
Zwei Design-Aspekte schmälern allerdings den guten Ruf synchroner Abwärtswandler. Einmal muss sichergestellt sein, dass die Leistungsschalter mit kontinuierlichem Strom im Continuous-Conduction-Modus (CCM) betrieben werden. Dies garantiert einen hohen Wirkungsgrad bei voller Last, führt jedoch zu einem schlechten Wirkungsgrad bei geringer Last. Zweitens und noch bedeutender ist, dass bei einer kompakten POL-Wandlung höhere Schaltfrequenzen erwünscht sind. Dies führt zu einer geringeren Energieübertragung pro Zyklus und hilft, die physikalischen Abmessungen der Energieübertragungskomponenten (Induktivitäten und Kondensatoren) zu verkleinern. Sinkt jedoch das Ausgangs- zu Eingangsspannungsverhältnis, verkürzt sich die Einschaltdauer des synchronen Abwärtswandlers erheblich, was die Verluste erhöht. Die Nachteile des synchronen Abwärtswandlers kommen also bei niedrigeren Core-Spannungen mehr zur Geltung.
Vorteile der SEPIC-fed-Buck-Architektur
Die Solus-Stromversorgungstopologie von CUI umfasst einen SFB-Aufbau und stellt eine hochoptimierte Lösung für die POL-Leistungswandlung dar. Sie basiert auf nur einem magnetischen Bauteil, einem Steuerschalter und zwei Kommutierungsgebern, die über ein PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) eines Schaltreglers genau angesteuert werden. Die magnetische Komponente ist aus vier induktiv gekoppelten Spulen zusammengesetzt, die um einen Kern gewickelt sind. Dieses etwas komplizierte magnetische Design ermöglicht immer noch eine einfache Implementierung wie bei der Standard-Buck-Architektur und sorgt für Kostenkontrolle.
Der Entwicklungsschwerpunkt dieser neuen Architektur lag in der gleichzeitigen Verbesserung des Wirkungsgrads und der Regelung. Der höhere Wirkungsgrad ergibt sich durch geringere Leitungs- und Schaltverluste an verschiedenen Schaltkreisknoten innerhalb des Aufbaus. Bei hohen Schaltfrequenzen kommen diese Verbesserungen noch mehr zum Tragen. Bei identischen Schaltbausteinen in einem herkömmlichen Abwärtswandler und in einem Solus-Design bietet die neue SFB-Topologie um bis zu 90 Prozent geringere Schaltverluste, was völlig neue Möglichkeiten bei der Leistungsdichte mit sich bringt.
POL-DC/DC-Modul mit neuer Topologie
Mithilfe seiner Solus-Topologie hat CUI das kompakte nicht-isolierte 60-A-Modul NDM3ZS-60 entwickelt. Es arbeitet in einem Eingangsspannungsbereich von 7,2 bis 14 V und stellt einen programmierbaren Ausgang zwischen 0,6 bis 1,5 V bereit. Das Moduldesign nutzt Bausteine mit niedrigeren Betriebsspannungen und senkt deren Strombelastung. Im Vergleich zu herkömmlichen Abwärtswandlern verringert die Gate-Ladungsgewinnung der Solus-Topologie die Einschaltverluste um 75 Prozent und die Ausschaltverluste um
99 Prozent. Damit ergibt sich ein Spitzenwirkungsgrad von 91,1 Prozent bei einer Wandlung von 12 auf 1 VDC und 50 Prozent Last. Der Wirkungsgrad bleibt bis zur Volllast auf hohen 88,9 Prozent.
Hervorzuheben ist das schnelle Einschwingverhalten der SFB-Topologie des 60-A-Moduls. Bei einer Wandlung von 12 auf 1 VDC, einem 30-A-Lastschritt (von 15 auf 45 A) und einer Anstiegs-/Abfallrate von 2 A/µs bleibt die Transientenspannung unter 10 mV und damit unterhalb des kritischen Ein-Prozent-Werts, der für viele Anwendungen gilt – und das bei der externen Kapazität, die nur ein Drittel des Werts anderer Lösungen einnimmt. Damit verringern sich die Kosten und der Platzbedarf auf der Leiterplatte.
Kompensation und Digital Power
Bereits seit einiger Zeit betreibt CUI die Weiterentwicklung der Schleifenkompensation für die POL-Spannungswandlung. Eine Rückkopplung sorgt für einen stabilen Betrieb des POL-Reglers bei sich ändernden Systembedingungen wie Ausgangslaständerungen, Störungen am Eingang, Temperatureinflüsse und Bauteilalterung. Die Schleifenkompensation übernimmt der Schaltregler-IC. Ursprünglich war die Kompensation das Fachgebiet der Analogexperten. Heute sorgen immer komplexere Digital-Controller für eine halbautomatische Kompensation und Feineinstellung des Systems – oftmals mithilfe einer einfach zu bedienenden grafischen Benutzeroberfläche (GUI).
Für seine neuesten digitalen POL-Module nutzt CUI die vierte Generation der Digital-Power-Controller von Intersil. Der ZL8800 bietet zwei PWM-Ausgänge, von denen jeder eine Schaltfrequenz von bis zu 1,3 MHz bereitstellt. Eine wesentliche Funktion ist die proprietäre automatische Charge-Mode-Regelung. Diese schnelle Regelschleife sorgt für das präzise Wiederbereitstellen der Ladung, die während eines Lastübergangs im Ausgangskondensator verloren geht. Die Regelung erfolgt schnell und zyklusweise, da die digitale Regelschleife eine Überabtastung der Ausgangsspannung durchführt. Der ZL8800 muss dabei die Werte der externen Komponenten nicht kennen – der Baustein nutzt digitale Algorithmen und Multi-Rate-Modulation, um seine Anpassungen vorzunehmen. Letztendlich verringert sich damit die erforderlich Kapazität für den Ladekondensator, während der ZL8800 weiterhin genügend Bandbreite für eine verbesserte Lastregelung bereitstellt. Durch die hohe Schleifenstabilität handhabt der Controller zudem Bauteiltoleranzen, Alterungseffekte und Umgebungseinflüsse.
Damit stehen zwei technische Neuerungen in einem kompakten Design zur Verfügung: eine optimale Topologie (SFB) für die Regelung niedriger Ausgangsspannungen und ein Digital-Controller für maximale Leistungsdichte, hohen Wirkungsgrad und Benutzerfreundlichkeit. Diese leistungsfähige Kombination adressiert die Forderungen nach einer „perfekten“ Leistungswandlung unter allen Bedingungen und zu jeder Zeit.
