Stromversorgung für Embedded-Geräte

Gleichspannungswandler spielen in heutigen stark miniaturisierten elektronischen Geräten eine wichtige Rolle“, betont Junichi Kurita, Business Planning Department, Technology & Business Development Unit  von Murata Power Solutions in Kyoto. „Unsere neue Modultechnologie hat die Möglichkeit geschaffen, diese Wandler kompakter zu konstruieren und gleichzeitig leistungsfähiger zu machen.“ Warum ist das so wichtig? Gleichspannungswandler sind ein unerlässliches Element für die Funktionsfähigkeit der heutigen kompakten Elektronikgeräte. Ihre Aufgabe ist es, die einzelnen Funktionsabschnitte, beispielsweise Speicher, Prozessoren oder Drahtlos-Transceiver mit der jeweils benötigten Spannung zu versorgen. In Applikationen, wie etwa Mobiltelefonen und tragbaren Geräten, lassen sich die Wandler in der Regel aus diskreten Bauelementen zusammensetzen, nämlich aus einem Regler-IC, einer Leistungsdrossel und weiteren passiven Bauelementen.

Diese Komponenten nehmen relativ viel Platz auf der Leiterplatte ein. Der Entwickler muss sie daher sorgfältig in das Design integrieren. Hierbei ist es insbesondere von Bedeutung, auf die von den diskreten Bauelementen ausgehenden abgestrahlten und leitungsgebundenen Störungen zu achten, da diese das übrige System entscheidend stören könnten. Das gilt es zu vermeiden. Eine Alternative zu der diskreten Implementierung konnten DC/DC-Wandler-Module bis dato noch nicht anbieten. Hier soll nun eine moderne Technologie Abhilfe schaffen.

Effektiv schichten

Murata hat mit dem Ferrit-Multilayer-Substrat eine Technologie entwickelt, bei der die Leistungsdrossel des Gleichspannungswandlers in das Substrat eingebettet ist. Grundlage der Ferrit-Multilayer-Substrattechnologie ist ein Prozess, in dem sich bis zu 50 Lagen unterschiedlicher Ferritmaterialien im Sandwich-Verfahren übereinanderschichten lassen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, eingebettete Bauelemente, wie etwa Induktivitäten herzustellen und im Substrat des Bauteils eine dreidimensionale Schaltung zu konfigurieren – ungeachtet der geringen Dicke der Struktur. „Der Prozess verbindet das Know-how von Murata im Bereich der keramischen und organischen Werkstoffe sowie der Ferritmaterialien mit den Fähigkeiten des Unternehmens im Hochfrequenz-Design, in der Miniaturisierung und im Design von Leistungsmodulen und Multilayer-Modulen“, verkündet Junichi Kurita mit Stolz. Aus den Bemühungen des Herstellers resultiert ein Micro-DC/DC-Wandler, der auf Seite 46 zu sehen ist.

Bild 1 zeigt ein solches Modul mit dem zugehörigen Schaltbild und seinem Querschnitt. Während ein Kondensator und das Regler-IC auf dem Substrat befestigt sind, ist die Leistungsdrossel in das Substrat eingebettet. Das Einbetten der Leistungsdrossel und der induktiven Bauelemente in das Substrat bringt entscheidende Vorteile, beispielsweise kleine Maße und ein niedriges Störaufkommen.

Die Baugröße verkleinern

Die Micro-DC/DC-Wandler-Familie LXDC2HL hat maximale Maße von 2,5 mal 2,0 mal 1,1 Millimeter. Sie ist für Systeme vorgesehen, in denen viele Schaltungsteile eine herabgesetzte Spannung benötigen, wie bei Mobiltelefonen. Weil hierbei eine große Zahl derartiger Wandler notwendig ist, birgt die mit dieser Technologie mögliche Größenreduzierung das Potenzial, die Abmessungen des gesamten Systems entscheidend zu minimieren. Ein aus diskreten Bauelementen aufgebauter Gleichspannungswandler der bisherigen Art nimmt in der Regel etwa 30 Quadratmillimeter auf der Leiterplatte ein. „Dagegen begnügt sich die komplette Gleichspannungswandler-Lösung von Murata einschließlich des Micro-DC/DC-Wandlers lediglich mit zehn Quadratmillimeter“, betont Junichi Kurita den Vorteil. Das entspricht einer Größenreduzierung von 67 Prozent. Bild 2 verdeutlicht den Größenunterschied zwischen diskreten Lösungen und Muratas Micro-DC/DC-Wandler.

Mit niedriger Störabstrahlung überzeugen

Die Baureihe LXDC2HL kommt mit Synchrongleichrichter-Technologie und automatischer Umschaltung zwischen Pulsfrequenz- und Pulsbreitenmodulations-Betrieb (PFM beziehungsweise PWM) auf einen Wirkungsgrad bis zu 86 Prozent bei einer Ausgangsspannung von 1,8 Volt. Ihre Schaltfrequenz beträgt drei Megahertz. Der Hersteller stellt die Serie derzeit als Abwärtswandler mit Eingangsspannungen von 2,3 bis 5,5 Volt und Ausgangsspannungen von 0,8 bis 4,0 Volt (fest eingestellt) zur Verfügung. Der maximale Ausgangsstrom liegt bei 600 Milliampere.

Die reduzierte Baugröße ist nur ein Vorteil des Micro-DC/DC-Wandlers. Zusätzlich zu den kleinen Maßen kann das Ferrit-Multilayer-Substrat mit weiteren Eigenschaften aufwarten, die sich auf der Wunschliste jedes Elektronikentwicklers befinden. Weil zwischen Regler-IC und Leistungsdrossel praktisch kein Zwischenraum ist, punktet das Modul im Gegensatz zu einer diskreten Lösung mit einer äußerst niedrigen Störabstrahlung (Bild 3). Auch die leitungsgebundenen Störungen fallen geringer aus, denn das Substrat hat die Wirkung von Ferritperlen.

Vorteil: Weil die elektromagnetischen Störungen minimiert werden und die Störungen aufgrund des modularen Wesens der Lösung uneingeschränkt vorhersagbar sind, gestaltet sich das Design-in mit den Micro-DC/DC-Wandlern nach Herstelleraussagen überaus schnell und unkompliziert. „Mit Innovationen, wie dem Ferrit-Multilayer-Substrat, hilft Murata Herstellern von Mobiltelefonen und tragbaren Geräten, die Abmessungen ihrer Produkte zu verringern“, lautet dann auch das Fazit von Junichi Kurita.

Murata Power Solutions stellt auf der Embedded World aus: Halle 12, Stand 350

(Der Text basiert auf Materialvorlagen von Junichi Kurita, Murata Power Solutions in Kyoto, Japan.)

(eck)