Bild 4. Die Leiterplattenfläche eines mit 500 kHz betriebenen konventionellen Abwärtswandlers im Vergleich mit der des neuen Wandlers mit 2 MHz Schaltfrequenz.

Bild 4. Die Leiterplattenfläche eines mit 500 kHz betriebenen konventionellen Abwärtswandlers im Vergleich mit der des neuen Wandlers mit 2 MHz Schaltfrequenz. Texas Instruments

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.

 

Seite 5 von 512345