Bild 1: Funktionsprinzip eines nichtisolierten Abwärtswandlers.

Bild 1: Funktionsprinzip eines nichtisolierten Abwärtswandlers. Intersil

Zur lokalen Energieversorgung auf der Leiterplatte wird oft die Abwärts-Wandler-Technologie (Step-Down- oder Buck-Converter) verwendet. Konverter dieser Art wandeln höhere Vorspannungen, typisch 5 bis 24 V, in kleinere Spannungsinseln von 0,5…5 V. In größeren Schaltungsdesigns sind mitunter bis zu 40 Lastpunkte ( POL, Point-of-Load) mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen, Ausgangsströmen und Signalqualitäten zu versorgen.

Diese Anforderungen führen bei diskreten POL-Lösungen zu aufwendiger Entwicklungsarbeit durch größere Mengen an Bauteilen und Platzknappheit. Power-Module können sich hier als sinnvolle Alternative erweisen, wie der nachfolgende Vergleich verdeutlicht.

Eckdaten

ISL8216M

  • DC/DC-Power-Modul (15 × 15 × 3,5 mm3)
  • Eingang 10 bis 80 V, Einfach-Ausgang 2,5 bis 30 V/4 A, Regelgenauigkeit ±1,5 %
  • Schaltfrequenz 200 bis 600 kHz, synchronisierbar, programmierbarer Überlastschutz und Soft-Start

ISL8225M

  • Zweifach-DC/DC-Power-Modul (17 × 17 × 7,5 mm3)
  • Zwei Ausgänge mit je 15 A oder parallel 30 A, bis zu 95 % Effizienz
  • Eingang 4,5 bis 20 V, Ausgang 0,6 V bis 7,5 V, Regelgenauigkeit ±1,5 % mit differential remote sensing
  • Bis zu sechs Module leisten parallelgeschaltet 180 A

ISL8240M

  • Zweifach-DC/DC-Power-Modul (17 × 17 × 7,5 mm3)
  • Zwei Ausgänge mit je 20 A oder parallel 40 A

Eigenentwicklung wird schnell sehr umfangreich

Für diskrete Stromversorgungen werden in der Regel neben PWM-Controller und Power MOSFETs auch Eingangs-/Ausgangskondensatoren sowie Leistungsinduktivität/en und Schutzbeschaltungen benötigt. Der Entwickler hat eine Vielzahl von Komponenten zu platzieren, deren technische Spezifikationen von Design zu Design erheblich variieren können. In Sub-Systemen mit vielen Abwärtsreglern kann sich allein die Auswahl der Komponenten zu einer Mammutaufgabe entwickeln, wie sich am nachfolgenden Beispiel eines nicht-isolierten Buck-Regler (Bild 1) verdeutlichen lässt.

Bild 2: Funktionsblöcke eines integrierten Abwärtswandler-Moduls.

Bild 2: Funktionsblöcke eines integrierten Abwärtswandler-Moduls. Intersil

Ein sehr kritischer Faktor beim Abwärtsregler-Design ist die Definition der Induktivität. Dabei wird meist ein nichtlückenden Betrieb Continuous-Conduction-Mode (CCM) zugrunde gelegt, bei dem die Induktivität während der Ausschaltzeit nicht vollständig entladen wird. Der Spitzenstrom soll in der Regel mit Sicherheitsabstand unter dem Sättigungsstrom der Induktivität liegen, da eine Sättigung zur Nichtlinearität führt, was Instabilität und einen schlechten Wirkungsgrad zur Folge haben kann.

Viele Bauteilparameter berücksichtigen

Auch die Ausgangskapazität muss sorgfältig ausgewählt werden, denn der Kondensator entscheidet über Restwelligkeit, Spannungsspitzen und über das Verhalten bei Lastwechseln. Insbesondere ist auf einen kleinen Verlustwiderstand des Kondensators (ESR) zu achten, was jedoch häufig im Zielkonflikt mit den Bauteilkosten steht.

Faktoren wie Entstörung, Laststrom und Schaltfrequenz sind bei der Dimensionierung der Eingangskapazität zu berücksichtigen, die nicht nur zur Unterdrückung von ankommenden und in die Quellspannung zurückgefügten Störungen beeinflusst, sondern auch die Welligkeit des Eingangsstromes (Input Ripple). Sehr wichtig ist auch hier ein niedriger ESR-Wert, weshalb in der Regel ein Keramik-Kondensator zum Einsatz kommt, der möglichst nahe am Wandler platziert wird.

Positiven Einfluss auf den Wirkungsgrad des Wandlers hat eine sorgfältige Auswahl der verwendeten Schalter, beispielsweise MOSFETs. Entscheidende Parameter sind der Widerstand RDS-ON und die Schaltverluste. Das Schaltungsdesign zur Definition des dynamischen Verhaltens muss auch die Stabilität in allen Betriebszuständen berücksichtigen. Durch zweckmäßiges Layout kann zusätzlich eine Reduzierung des Ausgangsrauschens erzielt werden.

POLs mit wenig Peripherie effizient realisieren

Bild 3: Beschaltet mit vier Kapazitäten und einem Widerstand ist das Power-Modul ISL8216M voll funktionsfähig.

Bild 3: Beschaltet mit vier Kapazitäten und einem Widerstand ist das Power-Modul ISL8216M voll funktionsfähig. Intersil

Die beschriebenen Einflussfaktoren lassen ahnen, wie aufwendig der Entwicklungsaufwand bei 20 oder sogar 40 POLs werden kann. In einer realistischen Betrachtung des „Total Cost of Ownership“ sind letztlich nicht nur die reinen Bauteilekosten, sondern auch der Zeitaufwand für Schaltungsdesign, Testläufe und eventuell nötige Redesigns zu berücksichtigen. Diskrete Lösungen führen daher aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher  Komponenten zu höheren Lagerhaltungs-, Montage- und Herstellungskosten. Erfahrungsgemäß lassen sich bei mehr als fünf unterschiedlichen POLs obige Kosten und Zeit sparen, wenn auf Power-Modul-Lösungen zurückgegriffen wird.

Bild 2 zeigt schematisch die Hauptkomponenten eines Power-Moduls bestehend aus PWM Controller, Power MOSFET´s, Induktivität und Kompensationsnetzwerk. Zur Komplettierung des POL sind vom Entwickler lediglich die Eingangs-und Ausgangskondensatoren hinzuzufügen.

Fertige Arbeit

Intersil bietet für unterschiedliche Anforderungen zahlreiche digitale und analoge Point-of-Load-Modullösungen an. Der Baustein ISL8216M (Bild 3) wird mit Eingangsspannungen von 10 bis 80 V versorgt, der Ausgangsbereich beträgt 2,5 bis 30 V und Ausgangsströme bis 4 A sind entnehmbar. Mit seiner Kompatibilität zu 12-, 24-, 36- und 48-V Systemspannungen ist er für viele Industrieapplikationen geeignet.

Bild 4: Bis zu sechs Module des Power-Moduls ISL8225M leisten parallelgeschaltet 180 A und das ohne Kühlkörper oder Lüfter.

Bild 4: Bis zu sechs Module des Power-Moduls ISL8225M leisten parallelgeschaltet 180 A und das ohne Kühlkörper oder Lüfter. Intersil

Bis zu 100 W Ausgangsleistung liefert das Step-Down-Power-Modul ISL8225M (Bild 4). Es ist in einem 17 x 17 mm QFN-Gehäuse untergebracht, hat zwei 15-A-Ausgänge, die unabhängig voneinander oder kombiniert als einzelner 30-A-Ausgang betrieben werden können.

Noch höhere Leistung liefert das Modul ISL8240M mit 20-A-Dualausgang oder 40-A-Enzelausgang, dessen Funktionen Current-Sharing und Phase-Interleaving den Parallelbetrieb von maximal sechs Modulen mit insgesamt bis zu 240 A Ausgangsstrom ermöglichen.

Die Leistungsmodule ISL8225M und ISL8240M können bis zur maximalen Leistung ohne Kühlkörper oder Lüfter betrieben werden.

Alle oben genannten Powermodule haben Schutzfunktionen gegen Überspannung, -strom und -temperatur integriert.

Ab fünf POLs lohnt sich die Modullösung

In Systemen ab fünf oder mehr POLs lohnt sich der Griff zum Taschenrechner. Geringere Entwicklungskosten, schnelleres Time-to-Market, vereinfachte und flexibles PCB-Layout, weniger Design-Risiken – es gibt viele Gründe, wo der Umstieg auf Modul-Lösungen trotz höherer Bauteilekosten sinnvoll sein kann. Und es gibt inzwischen viele Lösungen, die den Wechsel erleichtern.