Abbildung 1: Das Multichip-Modul FAN6500XX in einer Anwendung.

Bild: ON Semiconductor

Integration in den Halbleiterbereich MOSFET-Regler heben Leistungsdichte

13.10.2018

Integration ist im Halbleiterbereich von grundlegender Bedeutung. Die Möglichkeit, ähnliche und sich ergänzende Funktionen in einem einzigen Baustein zu kombinieren, treibt die gesamte Branche an. Zusammen mit Forschungs- und Entwicklungsergebnissen aus den Bereichen Gehäusetechnik, Wafer-Handling und Lithografie steigt die Funktionsdichte von ICs weiter an, was zu effizienteren Lösungen sowohl hinsichtlich der Größe als auch der Stromaufnahme führt.

Die Leistungsdichte stellt für Entwickler eine ständige Herausforderung dar. Immer höhere Ströme bei verschiedenen Spannungen sind gefragt, die oft viel niedriger sind als die Spannung des Systembusses. Dafür sind kleinere Abwärts-/Buck-Regler erforderlich, die Spannungen von 48 auf 1 V mit mehreren Ampere in einer einzigen Stufe umwandeln. Damit können sie näher am Lastentnahmepunkt angebracht werden und bieten immer noch einen Wirkungsgrad von über 95 Prozent.

Die Kombination aus hohem Integrationsgrad und Leistungswandlung ist kein gewohntes Zusammenspiel, da die beiden Prozesse normalerweise nicht sehr kompatibel zueinander sind. In einigen Fällen kann man die unvermeidlichen Kompromisse tolerieren, beispielsweise bei DC/DC-Reglern, die innerhalb eines engen Eingangsspannungsbereichs nur eine niedrige Leistung bereitstellen, oder bei denen man eine schlechte Energieeffizienz ignorieren kann. Leider sind diese Kompromisse heutzutage nicht mehr hinnehmbar.

Hohe Integration bei schlechten Werten

Eine kleine Zahl von Leistungsreglern bietet jetzt eine hohe Integration, sie weisen aber bezüglich Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad eher schlechte Werte auf. In immer mehr Anwendungen, in denen Kompromisse nicht mehr tolerierbar sind, ist der Integrationsgrad oft auf einen Controller und Low-Side-/High-Side-Treiber für externe MOSFETs beschränkt. Die ideale Lösung wäre jedoch, wenn alle Funktionen eines Abwärtsreglers in ein einziges, kleines und effizientes Bauteil integriert würden, das den Controller, Treiber und MOSFETs vereint und so insgesamt mehr Vorteile für das Gesamtsystem bietet.

Vereinte Funktionen

Es gibt viele Gründe, warum eine hohe Integration sinnvoll ist. In einer digitalen oder Mixed-Signal-Lösung wie einem Mikrocontroller (MCU) lassen sich damit zahlreiche Funktionen vereinen, wie sie in verschiedenen Anwendungen benötigt werden. Werden diese Funktionen in einem einzigen Baustein zusammengefasst, entsteht eine Lösung, die eine angemessene Anzahl von Herstellern anspricht, während die Stückkosten insgesamt sinken. Die Integration wird dabei durch die Weiterentwicklung im Halbleiterbereich vorangetrieben.

Bei einem Leistungselektronikbaustein bringt die Integration auch Kostenvorteile mit sich – allerdings auf eine wirkungsvollere Weise: Eine höhere Integration der Hauptkomponenten, wie sie beispielsweise bei der Abwärtsregelung zum Einsatz kommen, kann den Wirkungsgrad direkt erhöhen, was nicht nur zu niedrigeren Stückkosten, sondern auch zu geringeren Systemkosten führt. Aufgrund höherer Wirkungsgrade können die Hersteller häufig auch geringere Anforderungen an die Kühlung des Gesamtsystems stellen. Dies führt in immer mehr Anwendungen zu direkten Einsparungen bei den Gesamtbetriebskosten, so etwa in den Bereichen Telekommunikations- und Netzwerktechnik, Basisstationen, Automatisierungstechnik (einschließlich Robotik), Haushaltsgeräte und Elektrowerkzeuge, Verkaufsautomaten, Gaming, Geldautomaten und Netzteile zum Laden unserer tragbaren Geräte.

Multichip-Modul löst monolithischen Chip ab

Die Integration mehrerer Bauelemente in einem einzigen Gehäuse ist über ein Multichip-Modul (MCM) oder monoli-
thisch möglich. MCMs bieten Leistungsverbesserungen, Miniaturisierung und eine viel schnellere Einführung des Produkts am Markt, verglichen zur Integration aller gewünschten Funktionen auf einem einzigen monolithischen Chip. Für einen Halbleiterhersteller wie ON Semiconductor bietet der Zugriff auf die am besten geeignete Technologie den optimalen Ansatz für die Entwicklung eines Multichip-Moduls.

Auf hoher Ebene weist ein synchroner Abwärtsregler drei wesentliche Funktionen auf: Controller, Gate-Treiber und die Leistungs-MOSFETs zum Schalten. Es gibt Bausteine, die den Controller und den/die Treiber erfolgreich integrieren – für den Einsatz mit externen MOSFETs – aber nur wenige, die alle drei Funktionen in einem einzigen Baustein integrieren, was Entwicklern erhebliche Vorteile bieten würde.

Probleme herkömmlicher Lösungen beseitigen

Die im Spannungsmodus betriebenen synchronen Abwärtsregler der Serie FAN6500XX verfügen über solche ein hohes Integrationsniveau. Mit einem zielgerichteten Ansatz wird jedes der Elemente für die jeweilige Aufgabe entworfen und optimiert. Das führt zu einem Multichip-Modul, das den branchenweit höchsten Stromausgang mit einem Leistungsniveau kombiniert, das mit diskreten Bauteilen ansonsten nur schwerlich zu erreichen ist. Die Serie umfasst derzeit drei verschiedene Varianten, die einen Ausgangsstrom von 6, 8 beziehungsweise 10 A bereitstellen. Die Pin-Kompatibilität zwischen allen wird mit einem platzsparenden 6 mm x 6 mm PQFN-Gehäuse gewährleistet. Folglich können OEMs selbst nach der Fertigstellung des Leiterplattendesigns das für ihre Anwendung optimale Modul auswählen. Abbildung 1 zeigt die Funktion des FAN6500XX in einer Anwendung. Ein wesentlicher Vorteil bei der Integration der High- und Low-Side-MOSFETs im gleichen Gehäuse ist eine optimierte Ansteuerung der MOSFET-Last. Bei einer herkömmlichen Lösung mit extern angeordneten MOSFETs werden diese gemäß den Ausgangsstromanforderungen ausgewählt. Das kann zwar durchaus von Vorteil sein, weist allerdings bei der Auslegung für den erforderlichen Strom einige Nachteile auf. MCMs beseitigen dieses Problem.

Herausforderungen externer MOSFETs meistern

Während der tatsächliche Strom, der geliefert werden kann, immer noch durch die Kapazität des integrierten Gate-Treibers begrenzt ist, besteht die größte Herausforderung bei externen MOSFETs darin, den Regelkreis in Bezug auf das Erfassen des High-Side-Stroms zu schließen. Dies ist ein entscheidender Teil der Gesamtlösung, da sie sowohl eine Regelung als auch einen Überstromschutz bietet. Mit internen MOSFETs, die neben dem Controller und dem Treiber angeordnet sind, sind die Temperaturkoeffizienten zwischen allen Teilen des Schaltkreises viel genauer aufeinander abgestimmt und sorgen für eine höhere Genauigkeit.

Bei externen MOSFETs geht diese enge Anpassung verloren, was zu einem geringeren Wirkungsgrad führt. Ein zusätzlicher Vorteil der weiterentwickelten Bauelemente für eine Multichip-Lösung ist das optimierte Design zwischen dem Gate-Treiber und den MOSFETs. Damit lässt sich die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit des Treibers an die MOSFETs anpassen. Dies führt zu weniger Ringing im Schaltknoten und zu einem viel geringeren Shoot-Through-Risiko oder einer Querverbindung. Die Zuverlässigkeit verbessert sich ebenfalls, da der modulare Ansatz nur einen einzigen Fehlerpunkt im Stromversorgungsdesign aufweist. Die Qualifizierung wird mit der gesamten Lösung durchgeführt und nicht stückweise mit den einzelnen Bauelementen, was das Risiko zusätzlich reduziert.

Designflexibilität durch Multimode-Betrieb

Neben den Vorteilen einer hohen Integration bietet die Serie FAN6500XX mehrere Betriebsmodi für eine erhöhte Designflexibilität. Dazu zählen unter anderem CCM und DCM im Master- und Non-Master-Modus. Über den Mode-Pin am Modul wird der Pulsmodulations- oder Frequenzsynchronisationsmodus eingestellt, woraus sich zahlreiche Designmöglichkeiten ergeben.

Im erzwungenen CCM-Modus bleibt das Modul im Continuous Conduction Mode mit einer festen Frequenz (unabhängig von den Lastbedingungen) und gibt einen niedrigen Ripplestrom aus. Befindet sich das Modul im DCM-Modus, nutzt es Puls-Skipping bei geringen Lasten und schaltet automatisch in den CCM-Modus, wenn der Induktorstrom über 0 A liegt. Puls-Skipping sorgt für eine höhere Betriebseffizienz in Anwendungen mit geringeren Lasten oder in Standby-Zeiten. Im Master-Modus mit Frequenzsynchronisierung erzeugt das Modul ein um 180 Grad phasenverschobenes Taktsignal, wodurch sich mehrere Module synchronisieren lassen, während die Eingangswelligkeit minimal gehalten wird, was zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad führt.

Effektives Wärmemanagement

Beim Multichip-Modul-Design kann die Source des Low-Side-MOSFETs physikalisch mit einer großen Massefläche verbunden werden. Über Durchkontaktierungen (Vias) schafft dies einen effizienten Wärmepfad zu den inneren Lagen der Leiterplatte.

Dieses Design verbessert die thermischen Eigenschaften des Moduls und erhöht den Gesamtwirkungsgrad. Der Einsatz von PowerTrench-MOSFETs und einem kompakten, wärmetechnisch verbesserten, 6 mm x 6 mm PQFN-35-Gehäuse ermöglicht also die hohe Leistungsdichte der Serie FAN6500xx. Sie erreicht folgende Werte:

  • Gehäusetemperatur-Thermoelement am High-Side-FET: T1 = 117,9 °C

  • Umgebungstemperatur-Thermoelement an der Unterseite: T2 (TA) = 98,9 °C

Die Lösung liefert 140 W Ausgangsleistung bei 97 Prozent Wirkungsgrad mit nur 19 °C Temperaturanstieg. Die Spannungsmodus-synchronisierten Abwärtsregler der Serie FAN6500XX sind eine komplette Lösung in einem Modul und helfen Entwicklern von Stromversorgungen, eine deutlich höhere Leistungsdichte für verschiedenste Anwendungen zu erzielen. Mit ihrem weiten Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 65 V, Ausgangsspannungen von 0,6 bis 55 V und einem Dauerstrom von 6 bis 10 A bringt die Serie FAN6500XX die Leistungsdichte auf ein hohes Integrationsniveau.

Bildergalerie

  • Bild 3: Ein Beispiel für den thermischen Wirkungsgrad der Serie FAN6500XX.

    Bild: ON Semiconductor

  • Eine Wärmebildaufnahme des Versuchsaufbaus mit Temperaturdaten.

    Bild: ON Semiconductor

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