Verwendung gekoppelter Induktivitäten in mehrphasigen Abwärtswandlern zur Verbesserung des Wirkungsgrads

Mehrphasige Abwärtswandler werden häufig in 12V-Anwendungen wie Rechenzentren, Systemen für künstliche Intelligenz (KI) und Kommunikationsinfrastrukturen eingesetzt. Ein gemeinsames Thema bei all diesen Anwendungsfällen ist die Notwendigkeit, die Effizienz zu verbessern, ohne die Performance zu beeinträchtigen oder den Platzbedarf zu erhöhen.

Ein vielversprechender Ansatz sind gekoppelte Induktivitäten (CLs). Durch die Nutzung der induktiven Kopplung zwischen den Phasen ermöglichen CLs eine hervorragende Unterdrückung von Stromwelligkeiten, was zu erheblichen Effizienzsteigerungen führt, während die Kompatibilität mit herkömmlichen Layouts erhalten bleibt.

In diesem Artikel werden kurz die Herausforderungen an die Effizienz und das Layout von mehrphasigen Abwärtswandlern beschrieben. Anschließend werden die CLs vorgestellt, experimentelle Ergebnisse zur Validierung der Effizienzverbesserungen präsentiert und gezeigt, wie sie in Wandlern von Analog Devices eingesetzt werden.

Konventionelle mehrphasige Abwärtswandler - eine Herausforderung für den Wirkungsgrad

Bei Hochleistungscomputern und -kommunikationssystemen können Effizienzverluste bei der Stromversorgung enorme Auswirkungen auf die Systemkosten, die Zuverlässigkeit und das Wärmemanagement haben. Entwickler konventioneller mehrphasiger Abwärtsregler stehen in dieser Hinsicht oft vor Herausforderungen, insbesondere bei geringer Last, wo Schalt- und Wechselstromverluste stärker ins Gewicht fallen.

Gleichzeitig schränken das Layout der Endstufen und mechanische Beschränkungen die Möglichkeiten zur Leistungssteigerung ein. Bei vielen Systemen gibt es nur wenig Spielraum für eine Vergrößerung der Komponenten, und Änderungen am Leiterplattenlayout sind angesichts der üblichen Footprint-Strategien möglicherweise nicht machbar.

Daher besteht ein starkes Interesse an Ansätzen, die eine höhere Effizienz bieten, ohne wesentliche Änderungen an der Leistungsarchitektur zu erfordern. Im Idealfall würden solche Lösungen den gleichen Footprint beibehalten, die Verwendung der vorhandenen Ausgangskapazität (C_O) ermöglichen und die Transientenleistung über einen breiten Bereich von Lastbedingungen hinweg beibehalten.

CLs erfüllen diese Anforderungen, indem sie eine Verringerung der Restwelligkeit und eine Verbesserung der Schaltverluste ermöglichen, und das alles bei gleichem Platzbedarf wie bei herkömmlichen Designs.

Wie CLs die Energieumwandlung verbessern

CLs bieten eine effektive Möglichkeit, den Wirkungsgrad von mehrphasigen Abwärtswandlern zu verbessern, ohne das Layout zu verändern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Designs, bei denen jede Phase elektrisch unabhängig ist, haben CLs eine einheitliche magnetische Struktur, die eine Interaktion zwischen den Phasen ermöglicht.

Zwei Schlüsselparameter bestimmen diese Wechselwirkung: Streuinduktivität (L_k) und Gegeninduktivität (L_m). Die Streuinduktivität verhält sich wie die Phaseninduktivität (L) in herkömmlichen Designs, während die Gegeninduktivität eine magnetische Kopplung zwischen den Phasen bewirkt. Wenn der Strom in einer Phase ansteigt, wird in den anderen Phasen eine Spannung induziert, die der Stromänderung entgegenwirkt, was zu einer erheblichen Aufhebung des Brummstroms führt.

Die Gleichungen 1 und 2 definieren den zu erwartenden Brummstrom für herkömmliche diskrete Induktivitäten (DL) (dIL_DL) und CL (dIL_CL). Diese Ströme hängen von den Eingangs- und Ausgangsspannungen (V_IN,V_O), den Induktivitäten L, L_k und L_m, der Schaltfrequenz (F_S) und einem „Gütefaktor“ (FOM) ab.

 Gleichung 1

Gleichung 2

Dabei gilt:

ρ = der Kopplungskoeffizient = L_m/L

D = Tastverhältnis

N_ph = die Anzahl der gekoppelten Phasen

In Gleichung 3 sind die Berechnungen für das FOM dargestellt. Diese Gleichung beschreibt den Grad der Welligkeitauslöschung als Funktion verschiedener Parameter. Im Einzelnen hängt der FOM von ρ, N_ph und D ab.

Gleichung 3

Dabei gilt:

j = floor (D × N_ph)

Während der FOM von vielen Faktoren abhängt, spielt der Kopplungskoeffizient ρ eine wichtige Rolle. Um dies zu verdeutlichen, ist es hilfreich, ein praktisches Beispiel zu betrachten.

Evaluierung des Brummstroms für gekoppelte Induktivitäten

Abbildung 1 zeigt die FOM-Werte für eine Anwendung mit einer V_IN von 12 V und einer V_O von 1 V, mit einem D von ~0,083 und herkömmlichen DL-Werten von 100 Nanohenries (nH). Um dieses Design zu einem CL aufzurüsten und dabei das Einschwingverhalten mit demselben C_O-Speicher beizubehalten, muss der L_k-Wert für den CL 100 nH betragen. Damit bleibt L_m als Gestaltungsvariable übrig. Höhere Werte für L_m führen zu einer geringeren Restwelligkeit, aber ein konservativer L_m von 260 nH ist ausreichend, um die meisten der gewünschten Vorteile zu erzielen.

Abbildung 1: Dargestellt sind die FOM-Werte für einen 4-Phasen-CL für verschiedene L_m/L_k-Werte als Funktion von D; der interessierende Bereich ist hervorgehoben. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Selbst bei diesem recht konservativen Design reicht die Verringerung der Restwelligkeit aus, um niedrigere Schaltfrequenzen zu ermöglichen. Dies wird in Abbildung 2 veranschaulicht, in der die Stromwelligkeit für verschiedene Konfigurationen der Induktivitäten und Schaltfrequenzen verglichen wird. Das Diagramm zeigt, dass ein CL, der mit 400 Kilohertz (kHz) arbeitet, eine geringere Restwelligkeit aufweist als ein herkömmliches Design mit 800 kHz.

Abbildung 2: Stromwelligkeit für DL = 100 nH (800 kHz) und CL = 4 × 100 nH (800 kHz, 400 kHz) für V_IN = 12 V als Funktion von V_O. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die verringerte Schaltfrequenz führt direkt zu geringeren Schaltverlusten, zu denen Transistorschaltverluste, Totzeitverluste in MOSFET-Gehäusedioden, Sperrverzögerungsverluste und Gate-Ansteuerungsverluste gehören. Diese frequenzabhängigen Verluste nehmen proportional ab, wenn die Schaltfrequenz reduziert wird, was zu erheblichen Effizienzsteigerungen führt.

Effizienzgewinne sind am deutlichsten bei geringer Last zu erkennen, wo die Wechselstromverluste aufgrund ihrer festen Natur unabhängig vom Ausgangsstrom stärker ins Gewicht fallen. Die Vorteile erstrecken sich jedoch über den gesamten Lastbereich. Abbildung 3 zeigt experimentelle Ergebnisse, die ein 8-phasiges System mit gekoppelten Induktivitäten bei 400 kHz mit einem konventionellen Design bei 600 kHz vergleichen und eine Verbesserung von ca. 1% beim Spitzenwirkungsgrad und 0,5% bei Volllast zeigen.

Abbildung 3: Gezeigt wird ein gemessener Effizienzvergleich der 8-phasigen DL = 100 nH (gestrichelte Kurven) und 2 × CL = 4 × 100 nH (durchgezogene Kurven) Designs mit einem gemeinsamen Footprint. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Verbesserung der Effizienz ohne Beeinträchtigung des Einschwingverhaltens

Diese Effizienzsteigerungen werden ohne Beeinträchtigung des Einschwingverhaltens erreicht. Abbildung 4 veranschaulicht das Einschwingverhalten eines 4-Phasen-Abwärtswandlers, wobei die Wellenformen eines 8-Phasen-Designs mit diskreten Induktivitäten (DL = 100 nH bei 600 kHz) und einer Konfiguration mit zwei CLs, die jeweils 4 Phasen (2 × CL = 4 × 100 nH bei 400 kHz) bedienen, mit V_IN = 12 V, V_O = 0,9 V für 135A-Lastschritte verglichen werden. Die Verwendung der gleichen Stromanstiegsgeschwindigkeit und des gleichen C_O führt zu vergleichbaren Einschwingvorgängen.

Abbildung 4: Gezeigt ist der Einschwingvorgang für 8-phasige DL = 100 nH (600 kHz) und 2 × CL = 4 × 100 nH (400 kHz) für V_IN = 12 V, V_O = 0,9 V für 135A-Lastschritte; gleiche Platine, gleiche C_O, gleiche Bedingungen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die niedrigere Schaltfrequenz des CL kann zwar die Rückkopplungsbandbreite verringern, doch zwei Faktoren wirken dieser Einschränkung entgegen: die inhärenten Vorteile der mehrphasigen Architektur und die verbesserte Phasenspanne, die das gekoppelte Design bietet. Diese Verbesserung der Phasenspanne tritt ein, weil alle gekoppelten Phasenströme gleichzeitig reagieren, wenn sich das Tastverhältnis als Reaktion auf ein transientes Ereignis in einer Phase ändert.

Geringere Verluste führen zu einer besseren thermischen Leistung, was wiederum die langfristige Zuverlässigkeit verbessern und den Kühlungsbedarf in thermisch eingeschränkten Systemen verringern kann. All diese Vorteile werden unter Beibehaltung der Kompatibilität mit bestehenden Layouts erreicht.

Auswahl von Komponenten für mehrphasige Abwärtswandler

Um einen effizienten mehrphasigen Abwärtswandler zu implementieren, kann die Aufmerksamkeit auf drei Schlüsselkomponenten gerichtet werden: den Spannungsregler, den integrierten Schaltkreis (IC) der Leistungsstufe und den CL. Der Controller verwaltet das Phasentiming und die Synchronisation, die Leistungsstufe übernimmt das Schalten von hohen Strömen, und der CL ermöglicht die Auslöschung der Restwelligkeit, was zu einer verbesserten Effizienz führt.

Für den Controller ist der MAX16602GGN+T von Analog Devices (Abbildung 5) eine gute Wahl. Der in einem 56-QFN-Gehäuse (7 mm × 7 mm) angebotene Baustein unterstützt eine 8-Phasen-Schiene und eine separate einphasige Schiene. Zu den bemerkenswerten Merkmalen gehören autonome Phasenabschaltung, Telemetrie über PMBus, integrierter Fehlerschutz und -protokollierung sowie ein interner 1,8V-Vorspannungsregler. Diese Merkmale ermöglichen eine präzise Steuerung, eine geringere Anzahl von Bauteilen und ein verbessertes Einschwingverhalten in mehrphasigen Spannungsreglersystemen.

Abbildung 5: Der Spannungsregler MAX16602GGN+T unterstützt bis zu 8 Phasen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die Leistungsstufe kann mit dem MAX20790GFC+T von Analog Devices realisiert werden (Abbildung 6). Diese intelligente Leistungsstufe integriert MOSFETs, Gate-Treiber und Strommessung in einem einzigen 12-FC2QFN-Gehäuse (3,25 × 7,4 mm). Das Bauteil arbeitet in einem Schaltfrequenzbereich von 300 kHz bis 1,3 Megahertz (MHz) und ermöglicht es Entwicklern, die Leistung von CL-Designs zu optimieren. Zu den wichtigsten Merkmalen gehören Telemetrie und Fehlermeldungen über den PMBus des Controllers sowie erweiterte Selbstschutzfunktionen.

Abbildung 6: Die intelligente Leistungsstufe MAX20790GFC+T integriert MOSFETs, Gate-Treiber und Strommessung in einem einzigen Gerät. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Ein Beispiel für einen geeigneten CL ist der CLB1108-4-50TR-R von Eaton (Abbildung 7), der vier eng gekoppelte 50nH-Phasen in einem einzigen Gehäuse integriert. Die Konstruktion der Komponente unterstützt einen hohen Sättigungsstrom und eine hohe thermische Leistung, wodurch sie für anspruchsvolle KI- und Rechenzentrums-Workloads bestens geeignet ist.

Abbildung 7: Die CLB1108-4-50TR-R ist eine gekoppelte Induktivität mit 4 x 50 nH. (Bildquelle: Eaton)

In einer typischen Konfiguration würde der Controller MAX16602 bis zu acht MAX20790-Leistungsstufen ansteuern, wobei jede Ausgangsphase an die entsprechende Wicklung eines zweikanaligen vierphasigen CL angeschlossen ist. Im Vergleich zu herkömmlichen Designs bietet diese Architektur messbare Verbesserungen der Energieeffizienz bei gleichem Platzbedarf und gleicher Transientenleistung.

Testen gekoppelter Induktivitäten mit Evaluierungshardware

Entwicklern, die CL-Lösungen erforschen möchten, bietet Analog Devices mit dem Evaluierungskit MAX16602CL8EVKIT# (Abbildung 8) eine praktische Plattform für Tests und Entwicklung. Dieses Board wurde speziell für die Demonstration der Fähigkeiten des Controllers MAX16602 und der Endstufen-ICs MAX20790 in Verbindung mit gekoppelten Induktivitäten entwickelt.

Abbildung 8: Mit dem MAX16602CL8EVKIT# lassen sich mehrphasige Abwärtswandlerdesigns untersuchen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Das Evaluierungskit ist ein praktisches Referenzdesign, das zeigt, wie diese Komponenten effektiv integriert werden können. Es enthält alle notwendigen Schaltungen für eine Lösung zur 8-Phasen-Leistungsumwandlung und verfügt über umfassende Messpunkte, die die Überwachung von Schlüsselparametern wie dem Einschwingverhalten ermöglichen.

Fazit

CLs bieten erhebliche Vorteile für mehrphasige Abwärtswandlerdesigns. Durch die Einführung einer gegenseitigen Induktivität zwischen den Phasen ermöglichen diese Komponenten eine beträchtliche Unterdrückung des Brummstroms, was zu einer geringeren Schaltfrequenz und einem verbesserten Gesamtwirkungsgrad führt. Wichtig ist, dass diese Vorteile ohne Vergrößerung des Platzbedarfs oder Beeinträchtigung der transienten Leistung erzielt werden können. In Kombination mit Controller- und Leistungsstufen-Chipsätzen bieten diese Lösungen einen praktischen Weg für Entwickler, die von herkömmlichen Topologien auf effizientere, magnetisch gekoppelte Alternativen umsteigen wollen.