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30 DESIGN&ELEKTRONIK 07 2020 Referenzen 1 Datenblatt TMR 37211WIR Traco Power https tinyurl com yddu4abf 2 Datenblatt RDE03110S05 XP Power https tinyurl com yayexutc 3 Datenblatt RAC01-05SC Recom Power https tinyurl com y8kfupl9 4 Datenblatt VSK-S1-5U CUI https tinyurl com ybul3lzo 5 Datenblatt PBO-1-S5-B CUI https tinyurl com y7833vdv 6 C Rindfleisch et al A One-Step 325V to 3 3-to-10V 0 5W Resonant DC-DC Converter with Fully Integrated Power Stage and 80 7% Efficiency IEEE ISSCC pp 194-196 Feb 2020 7 J Xue et al A 2 MHz 12-100 V 90% Efficiency Self-Balancing ZVS Reconfigurable Three-Level DC-DC Regulator with Constant-Frequency Adaptiveon-Time V² Control and Nanosecond-Scale ZVS Turn-On Delay IEEE JSSC vol 51 no 12 pp 2854-2866 Dec 2016 8 D Lutz et al A 50V 1 45ns 4 1pJ High-Speed Low-Power Level Shifter for High-Voltage DCDC Converters ESSCIRC pp 126-129 Sept 2018 9 H T Lim et al Switching Speed Enhancement of the LDMOSFETs using PartialSOI Technology SOI pp 53-54 Oct 1998 10 J Wittmann et al Substrate Coupling in Fast-Switching Integrated Power Stages IEEE ISPSD pp 341-344 May 2015 Stromversorgung Integrierter Resonanzwandler ■ Implementierung des Chips Der 2 0 mm × 2 1 mm große Chip wurde bei X-Fab in einer CMOS-SOI-Technologie Silicon on Insulator mit 0 18 µm Strukturbreite gefertigt Bild 4 Um die hohe Sperrspannung der Schaltelemente in vertikaler Richtung zu erreichen wird in dieser Technologie ein in Sperrrichtung vorgespannter pn-Übergang genutzt welcher das Measured Eciency Measured Transients ILres VLres VS HV1 400ns 325V 300mA 10 100 100 200 300 0 20 40 60 80 Pout mW 0 20 40 60 80 Vin V Eciency % 230V-Converter @ Vout=10V @ Vout=5V @ Vout=3 3V 325V-Converter @ Vout=10V @ Vout=5V @ Vout=3 3V Pout=50mW 500 Eciency % Vin=225V Vin=325V Bild 6 Messung von Wirkungsgrad und Transienten bei einer Eingangsspannung von 325 V Substrat unterhalb des vergrabenen Oxids Buried Oxide BOX der Hochspannungsbauelemente verarmt 9 Parasitäre Effekte wie bipolare Effekte und Leckströme sind in SOI vernachlässigbar Dies vereinfacht das Design und verbessert den Wirkungsgrad Allerdings stellen Verluste durch parasitäre Kapazitäten z Bzwischen Drain und Source sowie zum Substrat hin bei schnell schaltenden Hochspannungswandlern für Anwendungen mit geringer Leistung eine www designelektronik de Herausforderung dar Bild 5 zeigt wie die Verluste mit Vin skalieren sowie die in diesem Design implementierten verlustreduzierenden Techniken Eine dieser Techniken ist eine vollständig ausgeräumte Raumladungszone unterhalb des vergrabenen Oxids Buried Oxide BOX der jeweiligen Schaltungsteile welche den Wirkungsgrad um bis zu 32 Prozent verbessert Außerdem werden niederohmig leitende Trenches genutzt 10 um das Substrat unterhalb der vergrabenen Oxidschicht elektrisch zu kontaktieren und so Störungen effektiv abzuleiten Dies reduziert die kapazitive Kopplung über das Substrat und verringert so die Störung empfindlicher Schaltungsteile und verbessert die Gleichtakt-Störfestigkeit CMTI Bild 6 oben zeigt wie sich der Wirkungsgrad für Ausgangsspannungen von 3 3 V 5 Vund 10 Vmit einem maximalen Gesamtwirkungsgrad von 80 7 Prozent verhält Aufgrund der pulsbasierten Ansteuerung verlaufen die Kurven sehr flach Bild 6 oben links und es wird auch bei niedrigen Lasten ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad erzielt Die gemessenen transienten Spannungen an der Induktivität VLres und am Source-Knoten von HV1 VS HV1 sowie der Strom durch die Induktivität ILres bei einer Eingangsspannung Vin von 325 Vbestätigen das resonante zeitlich selbstgesteuerte Schaltverhalten Bild 5 unten Tabelle 1 zeigt dass die Werte von Lund Cout gegenüber dem Stand der Technik um mehr als das 50-fache auf 10 µH bzw um mehr als das Zehnfache auf 0 47 µF reduziert wurden Das Design in 7 benötigt zwar lediglich eine Spule mit 1 5 µH ist jedoch auf 100 Vbegrenzt Bei kleinen Lasten von 50 mW und einer Ausgangsspannung Vout von 5 Verreicht der vorgestellte Wandler einen Wirkungsgrad von 71 3 Prozent bzw 53 7 Prozent für eine Eingangsspannung Vin von 225 Vbzw 325 V Dies ist höher als der Stand der Technik und ähnlich wie bei 3 der jedoch einen vergleichsweise riesigen Transformator von 3 mH benötigt und keine integrierte Leistungsstufe hat Die hohe Leistungsdichte von 1 geht mit einem schlechten Wirkungsgrad bei kleinen Lasten einher Das vorgestellte Design hat eine mehr als fünfmal höhere Leistungsdichte als alle anderen in Tabelle 1 aufgeführten kommerziellen Wandlermodule Dies macht den vorgeschlagenen Wandler insbesondere attraktiv für IoTund SmartHome-Anwendungen rh