Stromversorgung für Anwendungen mit beschränkten Platzverhältnissen

Für die meisten Endanwender bedeutet eine Verkleinerung der Leiterplatte auf 20 % oder weniger nicht viel, denn sie widmen der Stromversorgung wenig Beachtung, obwohl diese in der Regel bis zur Hälfte der Leiterplattenfläche eines elektronischen Systems beansprucht. Würde es gelingen, diesen Teil auf ein Fünftel seiner bisherigen Abmessungen zu verkleinern, könnten die betreffenden Geräte deutlich kleiner und leichter werden. Alternativ stünde bei gleicher Größe wesentlich mehr Platz für neue, leistungsfähige Funktionen zur Verfügung.

Bei Fahrzeugen, die auf dem Weg zum vollständig autonomen Fahren mit immer mehr Bildverarbeitungs-Funktionen ausgestattet werden, wäre dies beispielsweise sehr bedeutsam, oder auch bei tragbaren Geräten und Wearables. Das Equipment könnte bei weniger Platzbedarf mehr Kanäle und Features enthalten, ohne zu überhitzen. Drohnen könnten dank der Gewichtsreduzierung länger in der Luft bleiben und leistungsfähige Bildverarbeitung durchführen.

Möglich wird diese drastische Größenreduzierung durch eine von Texas Instruments vorgestellte neue kapazitive Wandlertopologie für On-Board-Stromversorgungen. Ausgelegt ist diese Innovation für Abwärtswandler-Applikationen, die hohe Spannungen am Eingang in niedrigere Ausgangsspannungen umwandeln. Die neue Technik ermöglicht den Betrieb mit wesentlich höheren Frequenzen, als es bisher mit vergleichbaren Chips möglich war. Erste IC-Produkte von TI, die auf dieser neuen Topologie basieren, zielen auf Kommunikations-Infrastruktur, Massenspeicher sowie Prüf- und Mess-Applikationen. Für solche Anwendungen bieten die Wandler eine bis zu siebenmal höhere Stromdichte. Hersteller können dadurch erheblich mehr Funktionalität unterbringen, ohne die Abmessungen ihrer Systeme zu vergrößern

Eine plötzliche, signifikante Größenreduzierung

Die Größe von Abwärtswandlern hat sich in den letzten Jahren nicht maßgeblich verändert. Die Miniaturisierung von Stromversorgungen vollzog sich in teils sehr kleinen Schritten. Ein Beispiel dafür sind externe Netzteile von Laptops. Der auf der Systemplatine untergebrachte Teil der Stromversorgung wurde im selben Zeitraum sogar mit noch geringerem Tempo verkleinert.

Meist sind neue Werkstoffe oder Fortschritte in der Fertigung für derart signifikante Größenreduzierungen verantwortlich, doch diesmal ist ein innovatives Design der Grund. Die neuen Stromversorgungen können mit bewährten Fertigungsverfahren hergestellt werden. Geeignet sind die mit der neuen Serienkondensator-Topologie produzierten Abwärtswandler für alle Anwendungen in denen eine stabile, gut geregelte Eingangsspannung zur Verfügung steht.

Auf der nächsten Seite werden die Herausforderungen bei der Größenreduzierung behandelt.

Bild 1. Schema eines Stromversorgungs-Systems. Die Leistungswandlung erfolgt in mehreren Stufen. Texas Instruments

Die ersten Produkte zielen vorrangig auf netzbetriebene Anwendungen. Langfristig sollen auch batteriebetriebene Systeme profitieren. Wie in Bild 1 dargestellt, erfolgt die Leistungswandlung oft in mehreren Stufen, speziell wenn die anfängliche Eingangsspannung deutlich größer ist als die von den Bauteilen im System benötigten Spannungen. Die von der gestrichelten Linie umgrenzten Abschnitte links im Bild werden häufig aus dem System selbst ausgelagert – zum Beispiel in ein externes Netzteil. Die Abwärtswandler platziert man dagegen auf der Systemplatine. Jeder dieser Wandler erzeugt aus einer Zwischenspannung (in diesem Fall 12 V) eine niedrigere Spannung für die elektronischen Bauelemente des Systems. In einigen Anwendungen können die Funktionen in dem gestrichelten Kasten und die Wandler auf der Platine in weitere Abschnitte mit zusätzlichen Zwischenspannungen unterteilt sein.

Weniger Umwandlungsstufen führen zu einer geringeren Abmessung der gesamten Stromversorgung. Dieser Weg ist gangbar, wenn die verwendeten Wandler ein großes Verhältnis zwischen Eingangsspannung (V_IN) und Ausgangsspannung (V_OUT) bieten. Ein Verhältnis von 10:1 lässt beispielsweise die Umwandlung von 12 V am Eingang in eine Ausgangsspannung von nur 1,2 V zu, während die Ausgangsspannung bei einem Verhältnis von 5:1 nicht kleiner als 2,4 V sein kann. Wenn ein Bauelement auf der Leiterplatte 1,2 V benötigt, lässt sich mit einem 10:1-Wandler Platz sparen, da die Bereitstellung dieser Spannung dann mit nur einer Stufe erfolgen kann. Auch durch die Verwendung kleinerer Bauteile im Wandler lässt sich die Größe der Stromversorgung reduzieren.

Führt man sich vor Augen, dass Stromversorgungen in vielen Systemen etwa 30 bis 50 % des gesamten Platzes beanspruchen, lässt sich hierdurch enorm viel Platz einsparen. Allerdings war das Verkleinern von Abwärtswandlern keine einfache Sache. Eine weitere wichtige Herausforderung beim Design liegt darin, dass die Stromversorgung einen hohen Ausgangsstrom liefern muss, damit Bausteine mit hohem Strombedarf (zum Beispiel Mikrocontroller) oder mehrere Bauelemente mit weniger Stromaufnahme versorgt werden können.

Das neue Abwärtswandler-Design von TI bewältigt diese Herausforderungen mit einer hohen Betriebsfrequenz, einem großen Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung und einem hohen Ausgangsstrom. Ohne Abstriche an der Effizienz zu erfordern, sorgt die kapazitive Umwandlungs-Topologie von TI für eine drastische Größenreduzierung. Somit lassen sich Anwendungen entwickeln, die kleiner und leichter sind und auf weniger Platz mehr leistungsfähige Verarbeitungsfunktionen und Features implementieren. Da der neue Wandler auch den Bauteileaufwand verringert, sinken zudem die Systemkosten.

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Bild 2. Prinzipschaltbild eines Abwärtswandlers. Texas Instruments

Bei Abwärtswandlern wird die Eingangsspannung in schneller Folge immer wieder ein- und ausgeschaltet. Eine Induktivität und weitere Bauelemente glätten die entstehenden Impulse dann zu einer Ausgangsspannung, deren Höhe proportional zu der Zeit ist, in der V_IN eingeschaltet ist. Ist V_IN beispielsweise zu 25 % der Zeit eingeschaltet, beträgt V_OUT theoretisch 25 % der Eingangsspannung, was einer Spannungsreduzierung im Verhältnis 4:1 entspricht. Allerdings ist dieser Vorgang nicht zu 100 % effizient, da es in der Schaltung unweigerlich zu Verlusten kommt.

Die Bauelemente eines elementaren Schaltwandlers sind in Bild 2 zu sehen. L ist die Induktivität und C der Ausgangskondensator, während es sich bei Q₁ und Q₂ um die Feldeffekt-Transistoren (FETs) handelt, die die Eingangsspannung abwechselnd ein- und ausschalten und dadurch für einen zweiphasigen Betrieb sorgen.

Induktivitäten sind nicht nur mit Verlusten behaftet, sondern durch ihre Größe und ihr Gewicht beanspruchen sie fast so viel Platz wie die gesamte übrige Schaltung. Da ihre Größe umgekehrt proportional zur Frequenz ist, mit der die Stromversorgung schaltet, können bei höheren Schaltfrequenzen kleinere Induktivitäten verwendet werden. Allerdings bringen höhere Schaltfrequenzen auch größere Schaltverluste mit sich, sodass ein Anheben der Frequenz in der Vergangenheit stets Einbußen beim Wirkungsgrad mit sich brachte.

Ein weiterer Faktor, der bei hohen Frequenzen schwierig in den Griff zu bekommen ist, ist die Einschaltzeit des Signals am Beginn des Impulses. Probleme ergeben sich hier bei einem großen Verhältnis zwischen V_IN und V_OUT, da das Signal hier nur für einen sehr geringen Bruchteil der gesamten Impulsdauer eingeschaltet sein darf. Bei einem Spannungsverhältnis von 10:1 und einer Schaltfrequenz von 2 MHz beträgt die Einschaltdauer beispielsweise nur 50 ns, wodurch in vielen Wandlerdesigns zu wenig Zeit für eine präzise Regelung bleibt.

Die meisten Abwärtswandler konnten deshalb nur mit Frequenzen von weniger als 1 MHz betrieben werden. Häufig lagen die Schaltfrequenzen sogar deutlich unter dieser Marke. Wurden höhere Schaltfrequenzen genutzt, war das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung geringer, sodass die längeren Impulse mehr Reserven bezüglich der Einschaltzeit boten. Wegen der Verluste bei hohen Frequenzen waren diese Schaltungen außerdem für geringe Ausgangsströme ausgelegt, sodass Art und Anzahl der von ihnen versorgten Bauelemente eingeschränkt waren. Wegen der Restriktionen hinsichtlich der Schaltfrequenz ließen sich Abwärtswandler zudem nicht nennenswert verkleinern, denn um die Verwendung großer Induktivitäten und anderer Bauteile führte kein Weg vorbei.

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Bild 3. Topologie des Serienkondensator-Abwärtswandlers. Texas Instruments

Mit einem Serienkondensator und anderen Schaltungsmodifikationen für das kapazitive Design ließen sich diese Probleme mit hohen Frequenzen lösen. Nachfolgend wird beschrieben, in welchen Grundzügen sich das neue Wandlerdesign von früheren Konzepten unterscheidet und wie es ihm gelingt, die Forderungen nach geringem Platzbedarf, einem großen Verhältnis zwischen V_IN und V_OUT und einem hohen Ausgangsstrom zu erfüllen.

Bild 3 zeigt einen zweiphasigen Serienkondensator-Abwärtswandler. Ein entscheidender Unterschied zwischen diesem Design und jenem in Bild 2 ist, dass der Wandler aus zwei parallelen Sektionen (Phasen) besteht, die jeweils über eine eigene Induktivität verfügen (L₁ beziehungsweise L₂). Ebenso sind zusätzliche Schalter vorhanden, die den Energiefluss durch die zweite Phase kontrollieren.

Wird der Kondensator abwechselnd ge- und entladen und die FETs Q_2a und Q_2b öffnen und schließen, fließt der Strom in vier Zeitintervallen abwechselnd durch die beiden Induktivitäten, sodass am Ausgang die gewünschte niedrigere Spannung anliegt. Die am Kondensator liegende Spannung beträgt nominell 50 % von V_IN, was zur Minimierung der Schaltverluste beiträgt, denn ein niedrigerer Spannungshub senkt die in jedem Zyklus entstehenden Verluste. Dies wiederum erlaubt die Verwendung einer höheren Schaltfrequenz, was Platz und Gewicht spart, da kleinere Induktivitäten und Kondensatoren eingesetzt werden können. Weitere Vorteile, die dazu beitragen, die Qualität der Ausgangsspannung zu erhöhen und die Designkomplexität zu verringern, sind die geringere Welligkeit des Stroms in den Induktivitäten, der automatische Stromausgleich zwischen den Induktivitäten, das sanfte Laden und Entladen durch den Kondensator, die Verdoppelung der Einschaltzeit und das ausgezeichnete Lastsprungverhalten. Alle diese Faktoren helfen die Herausforderungen bei der Realisierung kompakter Spannungsregler mit hoher Schaltfrequenz zu überwinden.

Das erste Angebot von TI auf Basis der kapazitiven Wandlertopologie ist der Swift-Abwärtswandler TPS54A20

Das erste Angebot von TI auf Basis der kapazitiven Wandlertopologie ist der Swift-Abwärtswandler TPS54A20, konzipiert als Point-of-Load-Spannungsregler in dicht bestückten Systemen beispielsweise für die Kommunikations-Infrastruktur, massive Datenspeicher sowie kompakte Systeme mit hohen Performance-Ansprüchen (zum Beispiel Prüf- und Messsysteme). Da die Bauelemente einen Ausgangsstrom von vollen 10 A liefern, profitieren die Hersteller von einer großzügig bemessenen Treiberleistung für Systemfunktionen sowie einem großen Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, sodass die Zahl der Wandlerstufen minimiert werden kann und die Effizienz des Gesamtsystems zunimmt. Tatsächlich wird hier mit mehr als 90 % der gleiche Wirkungsgrad erreicht wie in anderen Abwärtswandlern.

Der Wandler TPS54A20 enthält das gesamte in Bild 3 gezeigte Design mit Ausnahme der passiven Bauelemente. Bild 4 vergleicht die Leiterplattenfläche eines mit 500 kHz betriebenen konventionellen Abwärtswandlers mit der des neuen Wandlers mit 2 MHz Schaltfrequenz. Wie zu sehen ist, geht ein Großteil der Platzersparnis auf das Konto der kleineren Induktivität. Tatsächlich sind die Induktivitäten des neuen Designs zwölfmal kleiner (und potenziell auch deutlich kostengünstiger) als in den konventionellen Designs. Thermische Untersuchungen zeigen, dass die Wärme im kleineren Design trotz der höheren Schaltfrequenz gut abgeleitet wird.

Systeme kommen mit der neuen kapazitiven Wandlertopologie auf die drei- bis siebenfache Stromdichte. Hersteller von Karten für Gestellmontage mit fest vorgegebenen Maßen können deshalb mehr Funktionen unterbringen. Die Induktivitäten sind bei den neuen Wandlerdesigns so klein, dass diese Stromversorgungen auf der Leiterplattenrückseite platziert werden können, wo sie nur wenig auftragen dürfen. Damit aber wird an der Platinenoberseite wertvoller Platz für andere Schaltungen frei.

Das Potenzial der Innovation in der kapazitiven Wandlertechnik beschränkt sich allerdings keineswegs auf Karten für Gestellmontage. Bei der Entwicklung weiterer Abwärtswandler werden die Anwendungen vielmehr bei beiden Extremen profitieren, nämlich bei Industrie- und Automobilausrüstungen für höhere Spannungen und bei portablen Anwendungen oder gar Wearable-Elektronik mit niedrigen Versorgungsspannungen. Die Technologie lässt sich sogar modifizieren und auf Aufwärtswandler übertragen, bei denen die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung ist. Nicht nur bei seinem Einsatz in ersten Produkten, sondern auch hinsichtlich seines langfristigen Potenzials ist das Serienkondensator-Design so bedeutsam, dass es zu einer Reihe von Patentanmeldungen geführt hat.

Die Implementierung der Serienkondensator-Abwärtswandler-Technologie in einem weiten Anwendungsspektrum wird eine gewisse Zeit brauchen und vom sorgfältigen Design entsprechender IC-Produkte und Support für System-Designer und -Hersteller begleitet werden. TI ist sehr gut aufgestellt, um bei dieser Umstellung als Vorreiter zu fungieren. Als Anbieter von Power-Management-ICs bringt das Unternehmen die Design- und Fertigungs-Kompetenz mit, um eine breite Palette von Produkten auf der Basis seiner kapazitiven Wandlertopologie zu implementieren. Neue, hierauf basierende Stromversorgungs-ICs lassen sich mit bewährten Prozessen fertigen, sodass die Qualität ebenso sichergestellt ist wie eine schnelle Aufnahme der Massenproduktion.

(ah)