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Erster Controller für Powermanagement auf analoger Basis mit integrierter MCU

Mit einer Single-Chip-Hybridlösung zu höheren Wirkungsgraden

11. März 2013, 11:42 Uhr | Engelbert Hopf

Mit ihren Daten von 25 V, 1,8 mΩ, 3 mΩ, 9 mΩ und 13 mΩ eignen sich die jüngsten Hochgeschwindigkeit-MOSFETs der MCP87XXX-Familie besonders für den Einsatz in getakteten MOSFET-Netzteilen (SMPS).

Ein digital erweiterter analoger Leistungscontroller mit integriertem analogem PWM-Controller und komplett flashbasiertem Mikrocontroller vereint die Flexibilität einer digitalen Lösung mit der Geschwindigkeit, Leistung und Auflösung eines Controllers auf analoger Basis.

Wie ein roter Faden zieht sich die Forderung nach höheren Effizienzgraden durch die Lastenhefte der Netzteilentwickler. Je nach Komplexität der Anforderung bewegen sich die Lösungen zwischen einem vollständig realisierten Digital Loop und einer ausschließlich Analog-gestützten Wandlung.

Wenn es im mittleren Leistungsbereich von 50 bis 150 W jedoch darum geht, die Effizienz nur um ein, zwei Punkte zu steigern, dann, so Stephen Stella, Produkt Marketing Manager Analog&Interface Products bei Microchip, »steht der Aufwand, der mit einer Digital-Loop-Lösung verbunden wäre, kaum im Verhältnis zum erzielten Ergebnis«. Dabei geht es nicht nur um die Notwendigkeit einer High-MIPS-MCU und des ebenfalls benötigten hochpräzisen High-Speed-A/D-Wandlers im Fall einer Digital-Loop-Lösung.

Stella verweist in diesem Zusammenhang vor allem auf den für eine Digital-Loop-Lösung notwendigen Softwareaufwand. Er treibt die benötigte Manpower nach oben und erfordert Know-how, über das Netzteilentwickler im Allgemeinen kaum verfügen. Am Markt ist darum immer öfter ein Trend zu einer Art diskreter Hybrid-Lösung zu beobachten, die verschiedene Elemente der klassischen Analogregelung mit einer digitalen Lösung vermischt.

Microchip reagiert nun auf diesen Trend und stellt mit dem MCP19111 den weltweit ersten digital erweiterten Analogcontroller vor, der als hybrider Controller im digitalen und analogen Leistungsmanagement einsetzbar ist. Auf diese Weise werden neue Lösungen für intelligente DC/DC-Leistungswandler ermöglicht.

Im Vergleich zu konventionellen analogen Varianten ist die MCP19111-Familie, die in einem Spannungsbereich von 4,5 bis 32 V arbeitet, deutlich vielseitiger. Sie ermöglicht die weltweit ersten hybriden Mischsignalcontroller für das Leistungsmanagement und integriert einen PWM-Controller auf analoger Basis zusammen mit einem komplett flashbasierten Mikrocontroller.

Diese Integration ermöglicht es, flexible digitale Lösungen mit der Geschwindigkeit, Leistung und Auflösung eines Controllers auf analoger Basis zu erreichen. Zur Ausstattung des MCP19111 zählen integrierte MOSFET-Treiber für Anwendungen mit synchronen Abwärtswandlern. In der Kombination des MCP19111 mit den erweiterten Hochgeschwindigkeits-MOSFETs des Unternehmens lassen sich sehr effiziente kundenspezifische Leistungswandler, etwa im Bereich getakteter MOSFET-Netzteile (SMPS) oder DC/DC-Leistungswandler mit hohem Wirkungsgrad, in Konsum- oder Industrieanwendungen realisieren.

»Der Single-Chip-Aufbau reduziert nicht nur die Design-Komplexität«, streicht Stella die Vorteile der integrierten Lösung gegenüber einen diskreten heraus, »sie trägt darüber hinaus zur Reduzierung des Bill-of-Material bei und reduziert den benötigten Footprint auf der Leiterplatte«. Der 8-Bit-Mikrocontroller ist im vollen Umfang programmierbar und ermöglicht damit die Implementierung von Anwender-IP.

In der Integration von Digital- und Analogfunktionen auf einem Chip sieht Stella keine große Herausforderung. Realisiert wurde die Integration mit einem bei Microchip erstmals eingesetzten bewährten BCDMOS-Prozess. Wie Stella betont, findet die Leistungswandlung ausschließlich im Analogbereich statt. Zu den Ausstattungsfeatures des MCP19111 zählen neben verschiedenen Schutzbeschaltungen integrierte LDO- und MOSFET-Treiber sowie bis zu 15 General Purpose-I/Os und ein PMBus-/I2C-Communication-Interface.

Für Entwickler wird ab sofort eine MCP19111-Evaluationsplatine mit Hochgeschwindigkeits-MOSFETs zum Preis von 49,99 Dollar angeboten. Zum Package der Evaluationsplatine gehört eine Standard-Firmware, die der Anwender mittels steckbarer MPLAB X DIE GUI (grafische Anwenderschnittstelle) konfigurieren kann. Bei Auftragsmengen ab 5000 liegen die Nettostückkosten des digital erweiterten Analogcontrollers bei 2,81 Dollar.

Wie Stella erläutert, erweitert Microchip parallel zur Markteinführung des MCP19111 sein Programm an Leistungs-MOSFETs um vier weitere Modelle. Sie sind für eine Spannungsversorgung von 25 V optimiert und zeichnen sich durch eine niedrige Figure-of-Merit (niedrige RDSon- und Qg-Werte) aus. Erhältlich sind die Leistungs-MOSFETs MCP87030/090/130/018 ab sofort in Mustern und Produktionsvolumen. Lediglich der MCP87018 ist erst für den Februar angekündigt.

Während der MCP19111 in einem 28-poligen 5 x 5 mm großen QFN-Gehäuse erhältlich ist, sind die MOSFETs MCP87030 und MCP87018 im 8-poligen 5 x 6 mm messenden PDFN-Gehäusen verfügbar. Sowohl im 8-poligen 5 x 6mm-PDFN- als auch im 8-poligen 3,3 x 3,3 mm großen PDFN-Gehäuse stehen die MOSFETs MCP87090 und MCP87130 zur Verfügung. In Abhängigkeit von den jeweiligen Ausführungen liegen die Nettostückkosten der MOSFETs der MCP87XXX-Familie bei Auftragsvolumina ab 5000 MOSFETS zwischen 28 US-Cent und 1,04 Dollar.