Impulse für den nächsten Architekturwechsel: Ein Einblick in den Ansatz von GF bei 48 V

Von: Ambreesh Tripathi, Senior Director, Produktmanagement, Produktlinie „ Power “

Ingenieure aus den Bereichen Automobiltechnik, Industrie und KI-Infrastruktur setzen neben herkömmlichen Niederspannungsarchitekturen zunehmend auch 48-V-Verteilungssysteme ein – getrieben durch die Elektrifizierung, „Physical AI“ und den rasant steigenden Bedarf an Rechen power .

Für die Entwickler, die die Chips hinter all dem konstruieren, birgt dieser Wandel sowohl große Chancen als auch echte Herausforderungen. 48-V-Systeme erfordern integrierte Schaltkreise (ICs), die höhere Betriebsspannungen und transiente Ereignisse bewältigen können, mehr digitale Intelligenz auf dem Chip integrieren und die hohen Zuverlässigkeitsanforderungen in Automobil-, Industrie- und ständig aktiven KI-Anwendungen erfüllen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, ohne dabei Kompromisse bei der Leistung in anderen Bereichen einzugehen, bedarf es mehr als nur einer einzigen Prozesstechnologie. Aus diesem Grund hat GlobalFoundries (GF) Kompetenzen aufgebaut, die die gesamte 48-V- power skette abdecken.

Derzeit konvergieren drei Märkte auf 48 V

Die heutigen Elektrofahrzeuge mit der „ “-Technologie bringen die herkömmliche 12-V-Bordnetzarchitektur an ihre Grenzen, da sich der Halbleiteranteil pro Fahrzeug bei Elektrofahrzeugen im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor fast verdreifacht. Durch die zunehmende Anzahl von Chips in Zonensteuerungen, ADAS-Systemen, Kühlgebläsen und Batteriemanagementsystemen sehen sich Fahrzeuge mit höheren Kupferverlusten und größeren Herausforderungen beim Wärmemanagement konfrontiert. Die Umstellung auf 48 V bei der Stromversorgung von „ power “ reduziert den Strom bei einem gegebenen „ power “-Pegel, was dazu beiträgt, I²R-Verluste und den Verkabelungsaufwand zu verringern und gleichzeitig die Effizienz der „ power “-Stromversorgung zu verbessern. Zu den Anwendungsbereichen zählen 48-V-zu-12-V-DC/DC-Wandler für Zonensteuergeräte, Motortreiber für die elektrische power -Lenkung, Lüfter und Pumpen, PMICs sowie Batteriemanagementsysteme.

Physische KI hält auch in der Fertigung bei industriellen Anwendungen Einzug, und 48 V entwickelt sich zur Standard- power sspannung. Sicherheitsnormen wie IEC 60950 und IEC 62368 begrenzen die Kontakt-Spannung bei Geräten für Endverbraucher auf 60 V, wodurch 48 V zur höchsten praxistauglichen Busspannung für humanoide Roboter, Cobots, autonome mobile Roboter und fahrerlose Transportfahrzeuge wird – dies umfasst BLDC-/PMSM-Motortreiber power -Stufen mit feldorientierter Regelung, Gate-Treiber, 48-V-zu-Point-of-Load-DC/DC-Wandler sowie Schutz-ICs vom Typ „ power “.

Cluster für KI-Training und -Inferenz treiben den Strom power verbrauch in Racks auf ein noch nie dagewesenes Niveau, weshalb Rechenzentren von einer 12-V- auf eine 48-V-Stromverteilung auf Rack-Ebene umstellen, um Leitungsverluste zu reduzieren und die power e Dichte zu verbessern. Da der Strom power verbrauch von KI-Racks weiter steigt, ermöglichen 48-V-Architekturen eine effizientere Strom power sversorgung vom Rack zu den Prozessoren und Beschleunigern und unterstützen damit dichtere Rechenumgebungen, ohne den Overhead bei der Strom power-Umwandlung proportional zu erhöhen. Obwohl HVDC-Architekturen mit ±400 V und 800 V weiter vorgelagert an Bedeutung gewinnen, ist 48 V nach wie vor unverzichtbar für Zwischenbuswandler, Hot-Swap-Controller und intelligente eFuses, Batterie-Backup-Einheiten sowie integrierte Spannungsregler.

Warum ein 48-V-System mehr als nur ein 48-V-Gerät erfordert

Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass es sich bei einem 48-V-System um eine Ein-Spannungs-Lösung handelt. Ein „48-V-System“ umfasst die gesamte „ power “-Kette – vom 800-V-Wechselstrom-Frontend bis hin zu den unter 1 V liegenden Point-of-Load-Versorgungsspannungen für Prozessoren. Allein innerhalb des 48-V-Bereichs muss ein typischer IC für die Stromversorgung ( power ) in mehreren Spannungsbereichen arbeiten, darunter:

• 60 V, für die geregelte 48-V-Versorgungsspannung

• 80 V für den zentralen Schaltknoten, an dem der Großteil der 48-V- power en-Umwandlung tatsächlich stattfindet

• 100 V, zum Schutz der Eingangsstufe vor Transienten, Einschaltströmen und Fehlerereignissen

Die Nennspannung allein reicht nicht aus, um das richtige power -Bauteil auszuwählen. Verschiedene Bausteine stellen zudem sehr unterschiedliche Anforderungen an den sicheren Betriebsbereich. Die 55BCD-HV-Plattform von GF bietet LDMOS-Optionen, die für unterschiedliche Betriebsbedingungen optimiert sind: Schaltbauelemente legen den Schwerpunkt auf einen niedrigen Durchlasswiderstand und Schalteffizienz, während die Bauelemente der Serien „ Power “ und „Scalable“ einen breiteren sicheren Betriebsbereich für Schutzfunktionen, Pass-/Linearbetrieb und analoge Hochspannungsfunktionen bieten. Dadurch können Entwickler jeden Baustein so optimieren, dass ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Effizienz, Robustheit und analoger Flexibilität erreicht wird, anstatt eine einzige Transistorarchitektur für das gesamte 48-V-System vorschreiben zu müssen.

55BCD HV: Eine Smart-power -Grundlage für 48 V

In den Bereichen Automobiltechnik, Industrierobotik und KI-gesteuerte power-Liefersysteme müssen Entwickler zunehmend Sensorik, Schutzfunktionen und digitale Steuerung in einem einzigen Bauteil integrieren. Dieser Integrationsgrad reduziert die Komplexität der Leiterplatten und ermöglicht intelligentere power-Management-Architekturen. Die 55BCD-HV-Plattform von GF vereint mehrere Funktionen, die zunehmend an Bedeutung gewinnen, da 48-V- power -ICs immer stärker integriert und intelligenter werden.

• Breiter Spannungsbereich von 5 V bis 150 V auf einer Plattform: Digitale Niederspannungssteuerung , analoge Mittelspannungserfassung und Hochspannungs- power sstufen können auf demselben Chip untergebracht werden, was die Stücklistenkosten, die Leiterplattenfläche und die Systemkomplexität reduziert. Die DMOS-Produktfamilie deckt den Bereich von 45 bis 150 V ab, wobei der High-Side-Betrieb bis zu 165 V erreicht und die Deep-Trench-Isolation (DTI) mehr als 200 V unterstützt. In Kombination mit einer vergrabenen N+-Schicht trägt die DTI dazu bei, die Störfestigkeit gegenüber negativen Spannungstransienten zu verbessern, sodass störungsbehaftete Schaltknoten neben empfindlichen analogen und digitalen Bausteinen eingesetzt werden können.

• Branchenführende Leistung bei Hochspannungsbauelementen: Der Rsp-Wert wurde für die 60-V-, 80-V- und 100-V-Bauelementfamilien optimiert – den drei Hauptakteuren der 48-V- power -Wandlung – und sorgt so für eine Verbesserung des Rsp-Werts um bis zu 60 %* (*im Vergleich zum 130BCD).

• Hohe digitale Dichte, >1 Million Gatter pro Quadratmillimeter: Die Plattform basiert auf einem 1,2-V-CMOS-Kern mit LVT-, RVT- und HVT-Bauelementoptionen und bietet Leistungsreserven sowie Leckstromkontrolle für lokale Diagnostik, Schutzlogik, Kommunikationsschnittstellen wie CAN-FD und SPI sowie eingebettete Firmware. Damit werden System-on-Chip-Architekturen auf einer Plattform realisiert, für die zuvor möglicherweise ein reiner Logik-Knoten erforderlich gewesen wäre.

• Zuverlässigkeit nach Automobilstandard (AutoPro175): Die Qualifizierung gemäß AEC-Q100, Klasse 0, bei einer Sperrschichttemperatur von 175 °C bietet Automobilentwicklern eine vorqualifizierte Plattform, die das Qualifizierungsrisiko senkt und die Markteinführungszeit für Konstruktionen im Motorraum und im Antriebsstrang verkürzt.

• Integrierte NVM-Speicher und ein umfassendes IP-Ökosystem: ESF3- Embedded-Flash, SRAM, OTP/MTP sowie LVT-/RVT-/HVT-Standardzellen, 5-V-GPIOs, Speicher und PLLs – das komplette Toolkit für intelligente SoCs im „ power “-Bereich mit On-Chip-Diagnosefunktionen und Firmware-Speicher.

• Produktionsumfang und Widerstandsfähigkeit: 55BCD HV wird durch die globale Fertigungsstrategie von GF unterstützt und bietet Kunden damit die Möglichkeit, ihre geografische Lieferflexibilität zu erhöhen.

• Modularer Aufbau: Kunden wählen nur die Maskenebenen, Gerätefamilien und IP-Blöcke aus , die sie benötigen. Ob Motortreiber, intelligente eFuse oder Sensor-SoC – jeder wählt eine andere Teilmenge aus und passt so die Waferkosten und die Komplexität genau an das Produkt an, sodass niemand für Funktionen bezahlt, die er nicht nutzt.

Power GaN: Das Spiel um die „ power “-Dichte

55BCD HV bietet die intelligenten Integrations-, Steuerungs- und Schutzfunktionen, die in vielen 48-V-Systemen benötigt werden, während „ Power “-GaN diese dort ergänzt, wo maximale Schaltfrequenz und power Dichte im Vordergrund stehen. Das „ Power “-GaN-Portfolio von GF ist auf Hochspannungsumwandlung und ausgewählte 48-V-Umwandlungsstufen ausgerichtet und ergänzt 55BCD HV entlang der gesamten Lieferkette für „ power “.

Die Alleinstellungsmerkmale von GF

Differenzierer	Was das für 48 V bedeutet
Umfangreiches „ power “-Portfolio	Komplementäre Technologien in den Bereichen Hochspannungsumwandlung, Smart-power -Integration und Lastnaheversorgung
Erstklassige Switch-Leistung	44–60 % Reduzierung der Rsp im Vergleich zum vorherigen Knoten bei kritischen 48-V-Schalt Spannungen (60/80/100 V)
Zuverlässigkeit auf Automobilniveau	Hochtemperaturplattform, entwickelt für anspruchsvolle Umgebungen in der Automobilindustrie und in der Industrie
Geografische Diversifizierung	Minimiert Risiken in der Lieferkette – entscheidend für Kunden aus den Bereichen Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung und Hyperscaler
Integration und Intelligenz	Eine digitale Dichte von etwa 1 Mio. Gates/mm², ESF3 eFlash und ein breit gefächertes IP-Ökosystem, das SoCs für Smart- power -Anwendungen ermöglicht, die über eigenständige power -Geräte hinausgehen

Die nächste Phase der 48-V-Innovation

Über die heutigen Anwendungen hinaus werden 48-V-Systeme der nächsten Generation mehr integrierte Intelligenz, eine effizientere Speicherintegration, eine höhere Transientenrobustheit, eine verbesserte Hochspannungsisolierung sowie immer ausgefeiltere Funktionen zur funktionalen Sicherheit erfordern. GF investiert weiterhin in all diese Bereiche, da sich die Anforderungen an intelligente „ power “-Systeme ständig weiterentwickeln.

Wenden Sie sich an Ihren GF-Ansprechpartner, um mehr über die Entwicklungsmöglichkeiten für 48 V und 55BCD HV zu erfahren.