Figure 1 COT Regulator

Bild 1: Vereinfachte funktionale Schaltung eines Constant-On-Time -Abwärtswandler-Schaltreglers. (Bild: Exar)

Die meisten Industrie- und Telekommunikationsgeräte verfügen über eine große Anzahl einzelner DC-Bus-Spannungen mit verschiedenen Stromstärken, um sämtliche Teilschaltungen der Konstruktion mit Strom zu versorgen. DC-Bus-Spannungen werden üblicherweise durch einen DC/DC-Schaltregler bereitgestellt, der auf immer enger bestückten Platinen Platz finden muss und dennoch stetig anspruchsvollere Leistungsspezifikationen hinsichtlich Effizienz, Regelung der Eingangs- und Ausgangsspannung sowie Betriebstemperatur erfüllen muss. Diese Spezifikationen sind notwendig, um sicherzustellen, dass das Gerät lange und zuverlässig funktionieren kann.

Um entsprechende Lösungen zu konstruieren, müssen Hersteller von Elektronikgeräten hoch qualifizierte und erfahrene Elektrotechnikingenieure beschäftigen und – je nach Anzahl der benötigten Wandler – im Projektplan einen ausreichenden Zeitraum für Konstruktion und Prototypenphase des Stromsystems einschließlich vollständiger Testphase und Überprüfung einräumen. Dieser teure und zeitaufwendige Prozess beeinträchtigt sowohl das Projektbudget als auch die Zeit bis zur Markteinführung.

„Wunschliste“ für das Stromversorgungs-Design

Ausgehend von einer Abschätzung des Strombedarfs eines Subsystems ist nur ein kleiner Schritt erforderlich, um eine Wunschliste für eine möglichst optimal passende Stromversorgung zu erstellen. Eine solche Liste muss:

  • die strengsten Anforderungen des Untersystems wie zum Beispiel Spannungstoleranz erfüllen.
  • Mit der größtmöglichen Effizienz arbeiten. So können batteriebetriebene Geräte länger laufen und die Verlustleistung lässt sich reduzieren, damit die Geräte kühler bleiben und zuverlässiger funktionieren können. Jeder Anstieg der Betriebstemperatur um 10 °C halbiert die durchschnittliche Zeit zwischen Ausfällen (Mean Time Between Failure, MTBF).
  • Ein ausgezeichnetes Einschwingverhalten für den FPGA- und CPU-Betrieb ermöglichen, um eine falsche Bedienung durch fehlerhafte Taktung oder Sequenzierung zu vermeiden.
  • Eine programmierbare Ausgangsspannung und Schaltfrequenz sowie einen Schutz gegen Überstrom- und Überspannungsbedingungen bieten.
  • Idealerweise keine externe Kompensation benötigen. Andernfalls kann es eine zeitaufwendige Aufgabe sein, um eine konstruktive Stabilität bei Worst-Case-Bedingungen für Eingangs-/Ausgangsspannungen und Lastströme zu erreichen.
  • Eine Lösung bieten, die auch ohne Kompromisse auf engsten Raum passt.
  • Die Einfachheit einer „Plug-&-Play“-Lösung bieten.
  • Sämtliche der vorstehenden Ziele bei mittleren bis großen Stückzahlen mit niedrigen Kosten erreichen.
Figure 1 COT Regulator

Bild 1: Vereinfachte funktionale Schaltung eines Constant-On-Time -Abwärtswandler-Schaltreglers. Exar

Die Bedeutung dieser Punkte wird verständlich, wenn man ein einfaches Subsystem in Betracht zieht, das fünf Schienen mit Ausgangsspannungen von 0,6 V bis 3,3 V bereitstellt und mit einer Eingangsspannung von 5 V bis 20 V betrieben wird. Üblicherweise lässt sich dazu ein DC/DC-Abwärtswandler verwenden, um die entsprechende Spannung für jede dieser Schienen zu erzeugen, wie durch den vereinfachten funktionalen Schaltplan auf Bild 1 veranschaulicht wird.

Figure 2 XR79106 package

Bild 2: Das für das Exar XR79106 Leistungsmodul verwendete Gehäuse hat Pads, die eine hohe thermische Leitfähigkeit sicherstellen. Exar

Eine eigene Lösung zu entwickeln, kann bei einer solchen Konstruktion jedoch leicht zwei bis vier Monate in Anspruch nehmen. Dabei würde ein großer Teil der Zeit dafür aufgewendet werden sicherzustellen, dass die Stabilität der Regelkreise und das sich ergebende Einschwingverhalten der Ausgänge auch bei schlechtesten Temperaturbedingungen und über die 6-Sigma-Verteilung der eigenen Komponentenparameterwerte hinweg bedingungslos garantiert werden kann. Dieser Zeitraum kann die Markteinführung eines Produktes unter Umständen entscheidend verzögern.

Stärkere Integration ist nur eine Teillösung

Figure 3 Thermal Derating

Bild 3: Thermische Reduktionskurve für das Exar XR79106 Leistungsmodul bei VIN = 12 V Exar

Heute bieten viele Halbleiterhersteller DC/DC-Wandler-Lösungen an, die viele der Steuerelemente eines Schaltreglers umfassen, wie zum Beispiel den Kompensationsverstärker sowie Rampengenerator und Komparator, die zusammen den Pulsbreitenmodulator (PWM-Controller) bilden, mit dem der Leistungsschalter gesteuert wird. Damit verbleiben jedoch immer noch MOSFET, LC-Ausgangsfilter und die meisten passiven Kompensationsfeedback-Komponenten außerhalb des Chips. Diese Komponenten müssen sorgfältig ausgewählt und eingestellt werden, was mit den Entwicklungswerkzeugen der meisten Anbieter immer noch zeitaufwendig ist.

Figure 4 Application Circuit

Bild 4: Leistungsmodule benötigen nur wenige externe Komponenten. Im zugehörigen Datenblatt sind umfassende Angaben zu finden, wie sich deren Werte berechnet lassen. Exar

Vor allem für Systemdesigner, die keine elektrotechnischen Fachleute sind, ist es deutlich besser, auf Leistungsmodule zurückzugreifen, die auf kleinem Raum unter anderem den PWM-Controller und den MOSFET-Leistungsschalter umfassen. Diese Module werden in der Regel von einem multidisziplinären Team von Ingenieuren, die jeweils Experten in ihrem Fachgebiet sind, konstruiert, optimiert und getestet. Damit erhält der Anwendungsentwickler ein Gerät, das überlegene Leistung, hohe Zuverlässigkeit und den Vorteil einer sofortigen Verfügbarkeit bietet – und den Zeitraum bis zur Markteinführung um mehrere Monate verkürzen kann.

Gute Beispiele für solche Leistungsmodule sind die neuen Mitglieder aus der Produktreihe von Exar: Die Module XR79103/06 und XR79203/06 bieten eine Leistung von 3 A beziehungsweise 6 A bei Spannungen bis zu 0,6 V bei einer Eingangsspannung von 22 V beziehungsweise 40 V.

Eigenschaften der Leistungsmodule

Figure 5 Efficiency

Bild 5: Der XR79206 erreicht bei einer Schaltfrequenz von 700 kHz und VIN = 24 V einen Wirkungsgrad von fast 95 Prozent. Exar

Die als synchrone Abwärtswandler eingesetzten Leistungsmodule von Exar verwenden einen unternehmenseigenen Strommodus-COT-Schaltkreis (Constant On-Time). Sie benötigen keine externe Schleifenkompensation und sind durch Verwendung keramischer Ausgangskondensatoren sehr stabil. Die Module werden bei einer fast konstanten Schaltfrequenz betrieben und benötigen nur sehr wenige externe Komponenten.

Figure 6 Load Step

Bild 6: Der XR79206 führt durch nahtlosen Wechsel von DCM zu CCM einen Lastsprung von 0,05 A zu 3 A durch. Exar

Durch den breiten Eingangsspannungsbereich kann der XR79103/06 von branchenüblichen 5-V-, 12-V- und 19,6-V-Schienen betrieben werden, während der XR79203/06 mit 24-V- und 18- bis 36-V-Gleichstromschinen sowie gleichgerichteten 18-V– und 24-V-Wechselstrom-Schienen eingesetzt werden kann. Die Leistungsmodule erfüllen dabei nicht nur die oben genannte Wunschliste, sondern werden auch zu einem wettbewerbsfähigen Preis angeboten.

Die in Exar-Leistungsmodulen verwendeten Controller bieten die gleiche Leistung wie ihre IC-Gegenstücke und ermöglichen eine sehr gute Leitungs- und Lastregelung. Um an beiden Enden des Ausgangsstrombereichs zudem einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, lässt sich der Betrieb vom regulären Konstantstrom-Modus (CCM) auf den diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM) umschalten, um bei leichten Lastströmen Energie zu sparen. Die Module bieten darüber hinaus alle üblichen Schutzfunktionen wie beispielsweise Überstrom-, Übertemperatur-, Kurzschluss- und Unterspannungsabschaltung, um auch bei anormalen Betriebsbedingungen einen sicheren Betrieb sicherzustellen. Zu den weiteren Merkmalen gehören ein programmierbarer Soft-Start, eine programmierbare Strombegrenzung mit Temperaturkompensation, Flags für Power-Good und Präzisionsaktivierung sowie eine integrierte Bootstrap-Diode.

Gehäuse mit geringem thermischen Widerstand

Ein Modulansatz ist dann wirklich von Vorteil, wenn das Steuer-IC mit seinem großen Funktionsumfang zusammen mit den Antriebskomponenten integriert wird, die für eine optimale Schaltleistung in einem sehr kleinen, kostengünstigen Gehäuse ausgewählt wurden. Die für diese Module verwendeten QFN-Gehäuse (Bild 2) haben große Pads, die mit den wichtigsten Knoten im Antrieb verbunden sind, um einen guten ohmschen Kontakt zu gewährleisten und elektromagnetische Interferenzen zu minimieren. Diese Pads dienen auch als Kühlung für das Modul und sorgen für einen geringen thermischen Widerstand des Gehäuses.

In Verbindung mit der hohen Energieumwandlungseffizienz des Reglers, die interne Verluste minimiert, können diese Module ihre volle Leistung mit geringer oder keiner erforderlichen Unterlastung erbringen (Bild 3). Die Leistungsmodule lassen sich leicht in mehreren Anwendungen verwenden, indem einfach einige passive Komponenten ausgetauscht werden. Das spart Entwicklungszeit sowie Ausgaben für Forschung und Entwicklung und führt zu einer schnelleren Markteinführung.

Leistungsmodule sollten grundsätzlich weder die Leistung des Wandlers, noch dessen Effizienz beeinträchtigen. Diese muss möglichst hoch sein, um Leistungsverluste und Probleme mit der Wärmeableitung einzudämmen. Das Effizienzdiagramm des XR79206 (Bild 5) zeigt, dass er bei einer Schaltfrequenz von 700 kHz einen Wirkungsgrad von fast 95 Prozent erreicht. Bild 6 zeigt zudem, wie das Modul kurz von DCM- auf CCM-Betrieb umschaltet, um ein schnelles Einschwingverhalten auszuführen, bevor es in den DCM-Betrieb zurückkehrt, um Energie zu sparen.

 

Eck-DATEN

Integrierte Leistungsmodule unterstützen die Entwicklung eines Stromversorgungsuntersystems in einem einfachen Fünf-Stufen-Prozess:

  • Anforderungen erkennen
  • Das geeignete Modul wählen
  • Die Werte der externen Komponenten berechnen (Bild 4)
  • Die Leiterplatte gestalten
  • Den Prototyp testen

Die ersten drei Aufgaben sollten dabei weniger als 30 Minuten Zeit in Anspruch nehmen.

Jon Cronk

Marketingleiter Power Management bei Exar

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