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MPS - Der MPQ4470 - Der neue 5A synchronen Step-Down Regler

06.05.2013  Power Supply Modules   

Mit diesem MPQ4470 wird einer neuer monolithischer 5A synchroner Step-Down Regler für Industrie und Automotive Anwendungen vorge

Der MPQ4470 bietet allen Entwicklern für Anwendungen mit etwas höherem Strombedarf eine ultra kompakte und hoch effiziente Lösung. Im MPQ4470 sind  40m? und 20m? MOSFETs (HS/LS) für einen Eingangsspannungsbereich von 4.5V bis 36V (40V Abs. Max.) in einem 3x4mm Gehäuse integriert. Damit ist der MPQ4470 eine schaltungstechnisch deutlich vereinfachte Alternative zu Buck-Controller Bausteinen mit externen MOSFETs.  Der MPQ4470 wird für einen Temperaturbereich von -40°C bis +125°C angeboten, die automotive Version mit AECQ100-G1 befindet sich zur Zeit in der Qualifizierung.

Um bestmögliches Lastsprung Verhalten für anspruchsvolle FPGAs oder GSM Module zu liefern, verwendet der MPQ4470 ein adaptives Constant On Time (COT) Verfahren zur Regelung. Normalerweise haben COT Regler den Nachteil, dass die Schaltfrequenz von der Eingangsspannung und dem ESR des Ausgangskondensatores abhängt. Dies ist in vielen Anwendungen unerwünscht. Im MPQ4470 wird intern die Einschaltzeit in Abhängigkeit von der Eingangsspannung verändert, so dass sich eine nahezu konstante Schaltfrequenz für unterschiedliche Eingangsspannungen ergibt. Über R4 und C4 in Abbildung 1 wird zusätzlich ein Ripple-Signal in das Rückkoppel Netzwerk (R1 u. R2) eingespeist, um die Schaltfrequenz unabhängig vom ESR des Ausgangskondensators zu machen. Durch diese Schaltungsdetails erhalten wir einen COT Regler mit einer nahezu konstanten Schaltfrequenz, der zudem mit dem niedrigen ESR keramischer Ausgangskondensatoren stabil arbeitet.

Um die Größe der externen Bauteile gegenüber den Schaltverlusten für die jeweilige Applikation optimieren zu können, bietet der MPQ4470 dem Anwender eine einstellbare Schaltfrequenz.  In einer 24V auf 3.3V und 3A Last Anwendung fällt die Effizienz von 92.3% mit 350kHz auf 91.8% (500kHz) bzw. 90.6% (700kHz) – eine Verdopplung der Schaltfrequenz resultiert in diesem Arbeitspunkt in 170mW (1.7%) höheren Verlusten. Wird die Schaltung mit 12V am Eingang versorgt, ergibt sich eine Effizienz von 94.1% bei 3A mit 350kHz und 93.7% mit 700kHz. Bei der geringeren Eingangsspannung verringert sich die Effizienz nur um 0.4%, also 40mW. Vergleicht man 12V und 24V Versorgung bei gleicher Schaltfrequenz so beträgt der Unterschied 1.8% (350kHz) bzw. 3.1% (700kHz).

Die Schaltverluste steigen linear mit der Frequenz und quadratisch mit der Versorgungsspannung

Das COT Verfahren wurde ausgewählt, um im Vergleich zu klassischen Reglern ein deutlich besseres Lastsprung Verhalten zu bieten. Im COT reagiert ein Komparator unmittelbar bei fallender Ausgangsspannung mit einem Einschaltpuls. Im Buck Regler mit fester Schaltfrequenz (f_sw) liegt die Grenzfrequenz der Regelschleife in der Praxis meist im Bereich von einem Fünftel bis zu einem Zehntel dieser Frequenz, bei f_sw=500kHz beträgt die Regelzeitkonstante also 10µs bis 20µs. Für eine gute Ausregelung eines Lastsprungs werden somit, je nach Auslegung des Reglers, ca. 30µs bis 100µs benötigt.

Die COT Schaltung kommt bei gleicher Regelabweichung mit weniger Ausgangskapazität aus

Abbildung 4 zeigt einen starken Lastsprung von 0.5A auf 2.6A mit einer Anstiegszeit von 2A/µs. Obwohl nur 2x22µF Keramik Kondensatoren am Ausgang verwendet werden, fällt die Ausgangsspannung lediglich um 80mV. Zum Vergleich: ein GSM System verlangt eine Strom-Anstiegszeit von „nur“ 0.15A/µs.

Abbildung 5 zeigt einen simulierten GSM Lastsprung mit 0.25A/µs von 0.5A auf 2.5A in einer 12V auf 3.3V Anwendung mit 2x22µF Ausgangskapazität. Durch die Ausführung als monolithischer Chip in einem kompakten Gehäuse mit geringer parasitärer Induktivität bietet der MPQ4470 im Vergleich zu Controller + FET Lösungen deutliche EMV Vorteile. Dies gilt auch im Vergleich zu monolithischen Buck ICs anderer Hersteller, die aber im Gegensatz zum MPQ4470 auf mehreren Einzel-Chips basieren, die über Bonddrähte verbunden sind. Beim MPQ4470 kann die für die Störungen maßgebliche Antennen-Fläche des Kreises mit hohem di/dt zwischen Eingangskondensator und den beiden FETs sehr klein gehalten werden (Abbildung 5).

Die kompakte monolithische Lösung bietet EMV Vorteile

Beim Platinen Aufbau sollte in der Lage unter dem MPQ4470, mit kleinem Abstand eine Massefläche liegen. Werte von 50µm sind ideal, kleiner 250µm sollten angestrebt werden.

Für eine Reduktion der Anstiegszeit und zum Verringern von Überschwingern am Schaltknoten, kann ein kleiner Widerstand zwischen dem Bootstrap-Pin (BST) und C3 aus Abbildung 1 platziert werden. Dieser Widerstand reduziert den Ladestrom der Gate-Source Kapazität beim Einschalten des oberen FETs. Empfohlener Standardwert sind 5?. Dieser Wert wurde bei allen im Text angegebenen Messungen verwendet. Je nach Wert und Applikation kann mit dieser Maßnahme die Störabstrahlung um ca. 3-6dB gesenkt werden. Allerdings erhöhen sich hierdurch die Schaltverluste. Mit 3.3V und 3A Last am Ausgang und 500kHz Schaltfrequenz erhöhen sich diese bei einer Änderung von 5? auf 22? um 1% (100mW)  für eine 24V Speisung. Bei einer Eingangsspannung von 12V erhöhen sich diese Verluste nur um 0.4% (40mW).

Fazit:

Der MPQ4470 ist ein monolithischer, synchroner Step-down Schaltregler, der es aufgrund seiner herausragenden Effizienz und geringen externen Beschaltung erlaubt, Applikationen mit hoher Leistungsdichte zu realisieren. Der weite Eingangsspannungsbereich von 4.5V bis 36V macht ihn für eine Vielzahl von industriellen und automotiven Applikationen sehr interessant. Die verwendete adaptive Constant On Time Architektur des Reglers vereint zudem die Vorteile der sehr guten Lastsprung Antwort eines klassischen COT-Reglers und der nahezu konstanten Schaltfrequenz, die bislang PWM-Reglern vorbehalten war.

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Abbildung 1: MPQ4470 Schaltung - 5A mit 2x 22µF MLCC am Ausgang. f_sw=500kHz
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Abbildung 2: MPQ4470 Evaluation Board - 94,6% Effizienz im 3x4mm Gehäuse
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Abbildung 3: MPQ4470 Effizienzvergleich für 12V & 24V Versorgung und f_sw=350kHz und f_sw=700kHz
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Abbildung 4: Lastsprung von 0.5A auf 2.6A mit 2A/µs – 80mV Abweichung mit nur 2x 22µF Ausgangskapazität. f_sw=500kHz CH1 = Vout (50mV/div AC) CH3 = I_Last (500mA/div)
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Abbildung 5: Simulierter GSM Lastsprung mit 0.25A/µs von 0.5A auf 2.5A in einer 12V auf 3.3V Applikation 2x 22µF am Ausgang
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Abbildung 6: Sehr kleiner Eingangskreis des MPQ4470 mit hohem di/dt

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