Ger hög ström ur minimalt format

En DC/DC-omvandlare som hanterar fyra gånger högre strömtäthet än alternativen. Det är vad Texas Instruments påstår sig ha utvecklat. Den har en ny topologi som kan hantera hög switchfrekvens, vilket bäddar för liten storlek på både omvandlare och passiva kringkretsar.

Med den nya spänningsomvandlaren siktar TI in sig på tillämpningar där tillgängligt utrymme är en utmaning – det gäller både kretskortsytan och höjden på använda kringkomponenterna.

Nykomlingen kan justera en inspänning på mellan 8 och 14 V för att direkt mata asicar, processorer eller FPGA:er med 2 V eller lägre spänning. Ur kapseln, som bara är en millimeter hög och upptar 3,5x4 millimeter på kortet, kan en ström på hela 10 A levereras – det ger en strömtäthet på 50 A/cm3, vilket enligt TI är klart industriledande.

– Vår nya omvandlare är fyra gånger mindre än allt med motsvarande prestanda som finns på marknaden idag, säger Pradeep Shenoy på Texas Instruments.

Den ringa storleken kommer av att företaget lyckats skruva upp switchfrekvensen. På systemnivå ser frekvensen ut av vara 10 MHz, vilket betyder att betydligt mindre passiva kringkretsar, framförallt spolar, kan användas än då traditionella 500 kHz-omvandlare används.

Omvandlaren, kallad TPS54A20, använder en ny topologi kallad series capacitor buck converter. Den påminner väldigt mycket om en vanlig tvåfas interleavad buck-omvandlare, förutom att TI har adderat en kondensator. Tricket har gjort att företaget lyckats dra upp switchfrekvensen rejält, utan att switchförlusterna dragit iväg.

– Topologin i sig är inte ny, utan något vi fått inspiration av från publicerat forskningsmaterial på webben. Men vi har ansökt om ett antal patent kring denna topologi, exempelvis hur den styrs och drivs, vilket göra att det går att använda den som vi nu gör, förklarar Pradeep Shenoy.

Kretsen är monolitisk och tillverkad i en BiCMOS-process som TI använder för ett flertal av sina analoga kretsar. Den innehåller fyra transistorer som switchar i ett speciellt mönster, där två transistorer leder i taget och tar hjälp av den inbyggda kondensatorn för att få ut önskad ström. På så sätt fungerar kretsen som en tvåfasomvandlare, där respektive fas klockas med 5 MHz.

– En unik egenskap med denna omvandlare är att vi kan uppnå 14 ns minimum on-time. Det är väldigt viktigt om man ska switcha snabbt och samtidigt kunna hantera ett högt omräkningstal i en spänningsomvandling, som i detta fall då inspänningen kan vara 12 V och utspänningen 1 V, säger Pradeep Shenoy.

TPS54A20 kommer kapslad i en termiskt utökad QFP med 20 anslutningar. Den finns att köpa i volym. Även en utvärderingsmodul finns att köpa och spice-modeller finns för nedladdning.

Företagets webbaserade konstruktions- och simuleringsmiljö Webench passar väl som stöd för att snabbt ta fram konstruktioner kring den nya omvandlaren.