Die wachsende Nachfrage nach Servern, Massenspeicherausrüstungen und Cloud Computing-Infrastruktur verlangt nach mehr Rechenleistung. Die Mikroprozessoren in diesen Applikationen diktieren den Leistungsbedarf und die Abwärtswandler zur Versorgung dieser Prozessoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung des Lastsprungverhaltens.

Bild 1: Die dynamischen Betriebsarten eines Intel-Prozessors resultieren in unterschiedlichen Lastströmen für mehrphasige Abwärtswandler. (Bild: Texas Instruments)

Bild 2: Verschiedene Kombinationen von Ausgangskondensatoren und ZOUT-Werten eines mehrphasigen Wandlers zur Versorgung eines Mikroprozessors (Bild: Texas Instruments)

Bild 3: Trapezförmiges Lastprofil und das zugehörige Spektrum (Bild: Texas Instruments)

Bild 4: 10-kHz-Lastsprünge um 225 A mit hoher und geringer Anstiegsgeschwindigkeit (Bild: Texas Instruments)

Bild 5: Impedanz-Frequenz-Kurven verschiedener Kondensatortypen (Bild: Texas Instruments)

Bild 6: Vereinfachtes Stromverteilungs-Netzwerk eines mehrphasigen Abwärtswandlers (Bild: Texas Instruments)

Bild 7: Vergleich der Ausgangsimpedanzen zweier Designbeispiele (Bild: Texas Instruments)

Bild 8: Verhalten zweier Designbeispiele bei zyklischen Lastwechseln mit 10 kHz. Designbeispiel: (a) mit 225 A bei 450 A/µs, (b) mit 225 A bei 22,5 A/µs (Bild: Texas Instruments)

Bis dato gibt es keine eindeutigen Designrichtlinien dafür, wie sich anhand der Lastwechsel-Profile die richtige Kombination aus unterschiedlichen Arten von Ausgangskondensatoren zusammenstellen lässt. Hier hilft der vorliegende Artikel, der erläutert, wie die für hohe Lastsprung-Geschwindigkeiten erforderliche Performance durch unterschiedliche Arten von Ausgangskondensatoren beeinflusst wird, um zu einer optimalen Lösung zu kommen.

Bild 1 illustriert die Lastsprung-Profile eines Intel-Prozessors unter verschiedenen Einsatzbedingungen. Die wechselnden Lastfrequenzen und hohen Last-Anstiegsgeschwindigkeiten erfordern normalerweise hochfrequenztaugliche Entkopplungskondensatoren für einen mehrphasigen Abwärtswandler (Bild 2). Bei einem traditionellen Designkonzept lässt sich die benötigte Gesamt-Ausgangskapazität grob daran abschätzen, welche Anforderungen bezüglich der Überschwinger zu erfüllen sind. Allerdings sind die verschiedenen Kondensatortypen durch unterschiedliche effektive Serienwiderstände (ESR), Kosten und Abmessungen gekennzeichnet, sodass eine Vielzahl unterschiedlicher Implementierungen in Frage kommt, die zwar dieselbe Kapazität ergeben, sich aber in ihrer Leistungsfähigkeit unterscheiden.

Mit einem trapezförmigen Lastprofil lassen sich die Lastströme eines Mikroprozessors während des Betriebs emulieren (Bild 3). Werden Fourier-Transformationen auf den trapezförmigen Laststromverlauf angewendet, kann das Profil mithilfe von Gleichung 1 ausgedrückt werden. Das entsprechende, in Bild 3b dargestellte Spektrum zeigt, dass es neben der Grundschwingung der Last noch eine Vielzahl von Oberschwingungen gibt. Diese werden durch die unterschiedlichen Lastfrequenzen, Tastverhältnisse und Anstiegsgeschwindigkeiten hervorgerufen und können abhängig von der Ausgangsimpedanz bei hohen Frequenzen zusätzliche Spannungsabweichungen während der Laständerungen erzeugen.

In Bild 4a sind zwei Lastprofile dargestellt, die die gleiche Lastfrequenz (10 kHz) und ein identisches Tastverhältnis (50 Prozent) aufweisen, sich allerdings in ihren Anstiegsgeschwindigkeiten unterscheiden (450 A/µs beziehungsweise 22,5 A/µs). Auf der Basis von Gleichung 1 gibt Bild 4b die Spektren der beiden Lastprofile wieder. Wie an den Kurven zu sehen ist, werden die hochfrequenten Oberschwingungen bei der geringeren Anstiegsgeschwindigkeit gut gedämpft, was an einer zweiten Polstelle bei einer niedrigeren Frequenz liegt.

Thema der nächsten Seite ist die Auswahl der Ausgangskondensatoren anhand der Ausgangsimpedanz

Es gibt viele Arten von Kondensatoren (zum Beispiel OS-CON, Polymer-Aluminium oder Keramik), die alle spezifische Eigenschaften besitzen. In Bild 5 sind die Impedanzkurven verschiedener Kondensatortypen und -werte zu sehen. Verschiedene Kondensatoren können über die Frequenz unterschiedliche Impedanzen aufweisen. Es ist deshalb erforderlich, über die Ausgangsimpedanz-Anforderungen eines Abwärtswandlers genau Bescheid zu wissen, um den Typ und die Werte des benötigten Kondensators korrekt bestimmen zu können.

Wenn die Impedanz-Frequenz-Kurve beispielsweise erkennen lässt, dass die Impedanz zwischen 100 und 500 kHz zu hoch ist, lässt sich diese Impedanz am effektivsten mit einem Kondensator senken, dessen Resonanzfrequenz 500 kHz beträgt (zum Beispiel der 220-µF-Keramikkondensator in Bild 5). Ist dagegen aus Kostengründen ein OS-CON-Kondensator zu bevorzugen, bieten sich zwei Optionen zum Absenken der Impedanz an: die Verwendung mehrerer parallelgeschalteter OS-CON-Kondensatoren, um den effektiven Serienwiderstand zu senken, oder das Hinzufügen von Keramikkondensatoren mit geringerer Resonanzfrequenz (zum Beispiel ein 220-µF-Keramikkondensator mit einer Resonanzfrequenz von 500 kHz).

Tabelle 1: Designanforderungen und -parameter. Texas Instruments

In Tabelle 1 sind die kritischen Designparameter und Anforderungen eines mehrphasigen Abwärtswandlers zur Versorgung eines Mikroprozessors aufgeführt.

In Bild 6 ist ein typisches Stromverteilungs-Netzwerk (Power Delivery Network, PDN) aus verschiedenen Typen von Ausgangskondensatoren mit den jeweiligen Leiterplatten-Parasitics dargestellt.

Tabelle 2: Designbeispiele mit unterschiedlichen COUT-Auswahlen Texas Instruments

In Tabelle 2 sind zwei Designbeispiele mit unterschiedlichen Ausgangskondensatoren wiedergegeben, die bei gleicher Kapazität unterschiedliche Open-Loop-Ausgangsimpedanzen aufweisen.

In Bild 7 ist die Closed-Loop-Ausgangsimpedanz beider Designbeispiele mit Kompensation wiedergegeben. Die Closed-Loop-Ausgangsimpedanzen bei niedrigen Frequenzen (2 MHz) sind in beiden Beispielen ähnlich, jedoch weisen die Ausgangsimpedanzen im mittleren bis hohen Frequenzbereich (100 kHz bis 1 MHz) sehr große Abweichungen auf, die zu einem unterschiedlichen Lastsprungverhalten führen, auch wenn die Lastfrequenz gering ist (siehe hierzu der Oberschwingungsgehalt der Lastprofile in Bild 4).

Mit Gleichung 2 lässt sich die Ausgangsspannungs-Abweichung infolge der Lastsprünge abschätzen:

Somit entscheiden das in Bild 4 gezeigte Lastprofil und die in Bild 7 dargestellte Closed-Loop-Ausgangsimpedanz über die Ausgangsspannungs-Abweichung bei verschiedenen Lastfrequenzen.

In Bild 8 sind die Lastsprung-Eigenschaften zweier Designbeispiele mit zyklischen Lastwechseln mit 10 kHz, Lastsprüngen von 225 A und zwei verschiedenen Anstiegsgeschwindigkeiten (450 A/µs beziehungsweise 22,5 A/µs) dargestellt. Die Lastsprung-Eigenschaften des zweiten Designbeispiels sind schlechter, obwohl die Gesamtkapazität in beiden Fällen ungefähr die gleiche ist. Der Grund hierfür sind Oberschwingungsanteile in den mittleren Frequenzbereichen (100 kHz bis 1 MHz), wie bereits für Bild 4b erläutert. Wird wie in Bild 8b gezeigt die Anstiegsgeschwindigkeit herabgesetzt, so bringen es beide Designbeispiele auf ein nahezu identisches Lastsprungverhalten. Angesichts des in Bild 4b erkennbaren abgeschwächten Oberschwingungsanteils ist dies nicht überraschend.

Es gibt eindeutige Zusammenhänge zwischen dem Frequenzspektrum des Lastsprungprofils, den Lastsprung-Eigenschaften und der Ausgangsimpedanz. Bei der Versorgung unterschiedlicher Mikroprozessoren können sich das Lastsprungprofil (Lastsprünge, Frequenzbereiche und Anstiegsgeschwindigkeiten) und die Lastsprung-Anforderungen (Über- und Unterschwinger) unterscheiden. Es ist wichtig zu wissen, wie sich anhand einer Analyse des Lastsprungprofils und der Ausgangsimpedanz die richtigen Ausgangskondensatoren auswählen lassen. Dieser Zusammenhang ist bedeutsam für die Einhaltung der Über- und Unterschwinger-Spezifikationen – insbesondere bei fortschrittlichen Prozessoren mit sehr hohen Last-Anstiegsgeschwindigkeiten.

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