Was begrenzt die Spitzenleistungsfähigkeit?
Bei der Spitzenleistungsanforderung können verschiedene Faktoren die Leistung begrenzen. Befinden sich magnetische Elemente im Leistungspfad, wie beispielsweise ein Ausgangsfilter, kann es zu Sättigung kommen. Dies schädigt zwar die Drossel nicht direkt, führt aber zu einem Induktivitätsverlust und kann schädliche Stromspitzen in Dioden und Schaltern verursachen. Da dieser Effekt nahezu instantan auftritt, können DC/DC-Wandler mit PWM, die eine Drossel benötigen, eine begrenzte Spitzenlastfestigkeit aufweisen. Ein Beispiel hierfür wäre der vollgeregelte BMR350 mit einer zulässigen Spitzenleistung, die ‘nur’ 30% über der Dauerleistung liegt. Andere DC/DC-Wandler, die mit einem Tastverhältnis von 100% betrieben werden, wie z. B. unsere BMR313 Sie haben keine Ausgangsdrossel und unterliegen daher keiner Leistungsbegrenzung, was zu einer Spitzenleistung von 3 kW führt, dem Dreifachen ihrer Dauerleistung von 1 kW.
Im Falle des BMR313 ist die Grenze nun der Temperaturanstieg des Halbleiterübergangs, und die Herausforderung besteht darin, die Kombinationen aus Starttemperatur, Spitzenstrom und Dauer zu quantifizieren, die innerhalb eines "sicheren Betriebsbereichs" liegen.
Quantifizierung der Überlastung
Wenn die Sperrschichttemperatur nun den Grenzwert darstellt, muss ein Messverfahren gefunden werden, um ein Überschreiten eines absoluten Maximalwerts zu verhindern. Halbleiterhersteller legen typischerweise 150 °C oder 175 °C als Grenzwert fest – oft einfach, weil die Spezifikationen darüber hinaus nicht mehr erfüllt sind und die Funktionsfähigkeit nicht mehr gewährleistet werden kann. Man könnte vermuten, dass sie einen Sicherheitszuschlag hinzugefügt haben, aber dies ist nicht sicher. Eine direkte Temperaturmessung wäre ideal, doch Sensoren können nur eine begrenzte Genauigkeit erreichen, weshalb die Sperrschichttemperatur extrapoliert werden muss. Dies erfordert die Modellierung der Wärmewiderstände und -kapazitäten um die Sperrschicht herum sowie die Kenntnis der Verlustleistung. Bei begrenzten Leistungsspitzen sind die Temperaturänderungen entlang des Wärmepfads von der Sperrschicht zur Umgebung relativ langsam und vorhersehbar. Mit einem präzisen Wärmemodell und einem Wärmesensor in Kombination mit Verlust- und Zeitmessungen kann nun ein Warnsignal generiert werden, bevor ein kritischer Temperaturwert erreicht wird. Dieses Signal kann genutzt werden, um die Last – sofern vorhanden – zum Drosseln ihrer Leistung zu veranlassen.
Andernfalls wird ein zweiter Schwellenwert überschritten, und der DC/DC-Wandler wird abgeschaltet. Bei hohen transienten Überlastungen (Spitzenlasten) steigen die Temperaturen jedoch schneller an und werden maßgeblich von der lokalen Wärmekapazität des Halbleiterchips bestimmt, wodurch die Auswirkungen schwieriger zu charakterisieren sind. In diesem Fall lässt sich die Sperrschichttemperatur durch Messung der Anfangstemperatur, des transienten Laststroms und seiner Dauer vorhersagen. Dieses Verfahren wird in der … verwendet. BMR313 dazu gehören mehrere Schwellenwerte und Warnungen für zeitgesteuerten Überstrom mit einer schnellen Hardware-Abschaltung bei extremen Stromstärken, einer langsameren zeitgesteuerten Abschaltung bei mittleren Stromstärken und einem Temperatursensor, der ein Warnsignal und schließlich eine Abschaltung auslöst (Abbildung 2).
Abbildung 2: Die BMR313 Dauer-, Spitzen- und transiente Spitzenleistungsschutzschaltung.
Die Wiederholung von Lastspitzen verkompliziert die Angelegenheit.
Das im BMR313 Dabei wird angenommen, dass sich der Chip vor dem nächsten Stromspitzenereignis auf die Gleichgewichtstemperatur abkühlt, was jedoch nicht immer der Realität entspricht – die Wiederholrate der Spitzenlast lässt sich nicht vorhersagen. Ein anderer Ansatz, der in der BMR350, Die Methode dient der Überwachung von Last und Timing, filtert aber die resultierende analoge Sperrschichttemperatur mit einem Anteil des vorherigen Messwerts – dem sogenannten ‘Exponential Moving Average’ (EMA)-Verfahren. Dadurch werden die unterschiedlichen Abkühlphasen und deren Dauer berücksichtigt und ein robuster Schutz des Bauteils gewährleistet, insbesondere da die Regelung seine maximale Belastbarkeit begrenzt. Das EMA-Verfahren lässt sich durch mehrere Mittelwerte erweitern, die verschiedene Elemente des Wärmepfads repräsentieren, beispielsweise um den Chip selbst mit seinem schnellen thermischen Ansprechverhalten zu modellieren.
Die in unseren DC/DC-Wandlern beschriebenen und implementierten Techniken ermöglichen die Bewältigung von Spitzenlasten, ohne dass die Wandler überdimensioniert werden müssen, und bieten gleichzeitig die Gewissheit, dass sie nicht überbeansprucht werden.
Weitere Details zu den verwendeten Methoden finden Sie im Whitepaper ‘Peak Power Load Management in DC/DC Converters’, das zum Download bereitsteht. Hier.
