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

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.

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

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.

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