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Die Nachfrage nach kompakten Spannungsversorgungen ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Vor allem im Bereich der mobilen Geräte wachsen die Anforderung an die Spannungsversorgung hinsichtlich Bauvolumen und Batterielaufzeit. Für die Vollintegration von DC-DC- Wandlern als „Power Supply on Chip“ ist der SC-Wandler (Switched-Capacitor-Wandler) besonders geeignet. Insbesondere für Low-Power-Anwendungen im Bereich 10 mW kann ein SC-Wandler sehr gut, ohne externe Bauelemente, integriert werden. Während es für niedrige Eingangsspannungen (bis zu 5 V) eine Vielzahl an Topologien und Konzepten gibt, wurden SC-Wandler für höhere Eingangsspannungen (> 8 V) bisher nur wenig untersucht. Dieser Beitrag untersucht die wichtigsten Grundlagen für SC-Wandler mit Schwerpunkt auf hoher und zugleich variabler Eingangsspannung im Bereich 5 - 20 V. Am Beispiel eines Multi-Ratio-Wandlers (Wandler mit mehreren Übersetzungsverhältnissen), dem rekursiven SC-Wandler (RSC- Wandler), werden die Anforderungen eines SC- Wandler für hohe Eingangsspannungen herausgearbeitet und diskutiert.
In dieser Arbeit wird eine optimierte Bandgap-Referenz zur Erzeugung einer temperaturstabilen Spannung und eines Referenzstroms vorgestellt. Für Low-Power-Anwendungen wurde die Bandgap-Referenz, basierend auf der Brokaw-Zelle, mit minimaler Stromaufnahme und optimierter Chipfläche durch Multi-Emitter-Layout der Bipolartransistoren implementiert. Zusätzliches Merkmal ist ein verbreiteter Versorgungsspannungsbereich von 2,5 bis 5,5 V. Simulationen zeigen, dass eine stabile Ausgangsspannung von 1,218 V und ein Referenzstrom von 1,997 μA realisiert wird. Im Temperaturbereich -40 °C … 50 °C sowie dem gesamten Bereich der Versorgungsspannung beträgt die Genauigkeit der Referenzspannung ± 0,04 % mit einer Gesamtstromaufnahme zwischen 3,5 und 10 μA. Es wird eine Temperaturdrift von 2,18 ppm/K erreicht. Durch das elektronische Trimmen von Widerständen wird der Offset der Ausgangsspannung, bedingt durch Herstellungstoleranzen, auf ±3,5 mV justiert. Die Referenz wird in einer 0,18 μm BiCMOS-Technologie implementiert.
Durch schnell schaltende Leistungsendstufen werden durch kapazitive Umladeströme Störungen ins Substrat und in empfindliche Schaltungselemente eingekoppelt, die dort zur Störung der Funktion führen können. In dieser Arbeit werden Substratstrukturen zur gezielten Ableitung dieser Störungen vorgestellt und ihre Wirksamkeit mit Hilfe von Device Simulation evaluiert. Ohne Ableitstrukturen kann eine Potentialanhebung des Substrats bis zu 20 V entstehen. Die Untersuchungen belegen, dass die Potentialanhebung durch p-Typ Guard-Ringe um 75 %, durch leitende Trenches um 88 % sowie durch Rückseitenmetallisierung um nahezu 100 % reduziert werden kann.
In diesem Beitrag wird ein kapazitiver Low Power DC-DC Wandler mit 15 konfigurierbaren Übersetzungsverhältnissen, einem hohen Eingangsspannungsbereich von 5 V bis 20 V und einer konstanten Ausgangsspannung von 5 V vorgestellt. Bei einer Ausgangsleistung von 5 mW wird ein maximaler Wirkungsgrad von 81% erreicht. Die Implementierung erfolgt in einem 350 nm Hochvolt-CMOS-Prozess. Während es für niedrige Eingangsspannungen eine Vielzahl an Topologien und Konzepten gibt, wurden vollintegrierte SC-Wandler für höhere Eingangsspannungen (> 8 V) bisher nur wenig untersucht. Höhere Spannungen erfordern den Einsatz von Hochvolttransistoren und eine aufwändigere Ansteuerung. Um über einen weiteren Eingangsspannungsbereicht mit hoher Genauigkeit und hohem Wirkungsgrad zu wandeln, erweist sich die Topologie des rekursiven Switched-Capacitor Wandlers (RSC Wandler) als vorteilhaft. In der vorliegenden 4-Bit Implementierung ist der RSC Wandler aus N = 4 2:1 Serien-Parallel Wandler-Zellen aufgebaut. Durch verschiedene Anordnung der einzelnen Zellen können 2ᴺ -1 = 15 Wandlungsverhältnisse realisiert werden. Mittels Rekursion werden in jedem Wandlungsverhältnis alle Kapazitäten genutzt, wodurch die Stromfähigkeit und der Wirkungsgrad des Wandlers deutlich verbessert werden. Einheitliche 2:1 Wandler-Zellen ermöglichen einen modularen Aufbau des Layouts.
Es wird ein hochintegrierter Gatetreiber für 600V-Anwendungen mit einer galvanischen Isolation zwischen der Ansteuerelektronik und der Treiberseite vorgestellt. Eine Besonderheit ist die bidirektionale Signalübertragung und die Energieversorgung über einen einzigen Transformator. Die Treiberansteuersignale werden mittels 10/20 MHz Frequenzmodulation übertragen. Die Signalrückübertragung ist in Form einer 1Mbit/s Amplitudenmodulation realisiert. Die Energieübertragung über den Transformator erlaubt ein dauerhaftes Einschalten des Treibers. Der Energiebedarf während des Schaltvorgangs wird hauptsächlich durch eine Bootstrapschaltung bereitgestellt. Eine weitere Besonderheit ist die Verwendung einer flächeneffizienten Integration einer NMOS Treiberausgangsstufe. Der Gatetreiber wurde in einer 180nm Hochvolt-BiCMOS-Technologie hergestellt. Messungen bestätigen die Funktion des Treibers.
Die Spannungsversorgung elektronischer Steuergeräte im Automotive-Bereich wird zunehmend durch Schaltregler sichergestellt. Der SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter) besitzt die Eigenschaft, eine Spannung aufwärts wie auch abwärts wandeln zu können und könnte somit klassische Buck- und Boost-Wandler ablösen. Dieser Beitrag untersucht den SEPIC hinsichtlich Eignung für Automotive-Anwendungen. Dazu wurde eine Groß- sowie Kleinsignalanalyse am Wandler durchgeführt, mit geeigneten Simulationsmodellen nachgebildet und Messungen gegenüber gestellt. Der SEPIC zeigt als Hauptvorteile:
1. einen verzugsfreien Übergang zwischen Buck-/Boost Betrieb, 2. geringe Eingangswelligkeit, 3.DC-Kurzschlussfestigkeit. Auch hinsichtlich Wirkungsgrad und EMV-Verhalten stellt der SEPIC eine interessante Alternative dar. Der zwischen Ein- und Ausgang liegende Kondensator wird dauerhaft von einem Strom durchflossen, auf Basis der Effektivströme wird das damit verbundene Ausfallrisiko diskutiert.