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Bei einem synchronen Buck-Wandler wird die externe Gleichrichterdiode durch einen integrierten Low-Side-Leistungs-MOSFET ersetzt. Verglichen mit der Diode des nicht-synchronen Wandlers sorgt der niedrige Einschaltwiderstand des MOSFET für einen wesentlich geringeren Spannungsabfall. Außerdem lässt sich der MOSFET abschalten, wenn er nicht benötigt wird. Die Umwandlungsverluste sind aus diesem Grund deutlich geringer, sodass die Schaltung weniger Wärme erzeugt und effizienter arbeitet. Sowohl der zur Gleichrichtung dienenden Low-Side-MOSFET als auch die früher extern implementierten Kompensationsschaltungen sind jetzt in den IC integriert.

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Um die Vorteile dieser Technik besser erläutern zu können, sollen jetzt kurz die Verluste der synchronen und der nicht-synchronen Lösung berechnet und miteinander verglichen werden. Die zugehörigen Wärmebilder in Bild 2 zeigen anschaulich die deutlich geringere Wärmeentwicklung des synchronen Buck-Wandlers im Vergleich zur nicht-synchronen Lösung. Dies ist wichtig, da Wärme nachteilige Auswirkungen auf die Lebensdauer elektrischer Bauelemente hat. Die meisten Ingenieure interpretieren die Arrhenius-Gleichung so, dass sich die Lebensdauer einer Schaltung verdoppelt, wenn die Temperatur um 10 K gesenkt wird. Hieraus folgt, dass die synchrone Lösung aufgrund der Temperaturdifferenz von 30 K mindestens achtmal langlebiger sein dürfte als die nicht-synchrone Variante.

Wegen der Integration der Kompensationsschaltungen verbessert die Synchrongleichrichtung die Regelgenauigkeit. Entscheidender ist aber, dass die eingebaute Kompensation über den gesamten Ausgangsspannungsbereich ohne externe Bauelemente auskommt, was den Bauteileaufwand und den Platzbedarf signifikant verringert. Als weiterer Pluspunkt kommt die hohe Genauigkeit der internen Spannungsreferenz hinzu. Sie ergibt eine präzisere Spannungsregelung, die über einen erweiterten Betriebstemperaturbereich hinweg nahezu ±1% beträgt.

Werden diese neuen Buck-Schaltregler mit integrierten FETs und Synchrongleichrichtung als Grundlage für Power Module verwendet, können die Hersteller von den gleichen Vorteilen profitieren, die ein diskretes Stromversorgungs-Design bietet: hoher Wirkungsgrad, geringere Wärmeentwicklung sowie präzisere Spannungsregelung – und dies bei deutlich kleineren Abmessungen. Zum Beispiel integriert Maxim seine Himalaya-ICs zusammen mit weiteren Bauelementen zu den Power-Modulen der Himalaya-Familie.

Integration in Power-Module vereinfacht den Design-Prozess

Selbst mit diskreten synchronen Buck-Schaltreglern müssen für eine robuste Stromversorgung zahlreiche Anforderungen erfüllt und viele Herausforderungen bewältigt werden. Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Laststrom, Temperatur, Störimmunität und/oder Störaussendungen sind nur einige der Kriterien, die von den Designern bedacht werden müssen.

Zu den schwierigsten Aspekten beim Design von Schaltnetzteilen gehören jedoch die Auswahl der externen Bauelemente, die Platzierung der Bausteine, das Leiterplatten-Layout sowie Regelungs-Kriterien wie etwa elektromagnetische Interferenzen, Hochfrequenz-Störungen und die Anfälligkeit gegen eingestrahlte Hochfrequenz-Störgrößen.

Bleibt das unberücksichtigt, kann jeder dieser Aspekte zur Ein- oder Abstrahlung elektrischer Störgrößen führen.

Die Tatsache, dass in den Power-Modulen bereits einige externe Bauelemente integriert sind, eliminiert bereits einen großen Teil der Design-Risiken. Neben dem Schaltnetzteil-Controller sind in heutigen Power-Modulen die MOSFET-Leistungsschalter und die Spule sowie weitere passive Bauelemente integriert, die für Kompensations- und Bias-Zwecke benötigt werden.

Für den Betrieb sind somit nur noch vier oder fünf zusätzliche externe Bauelemente erforderlich. Da sämtliche integrierten Bauelemente mit Blick auf optimale Performance ausgewählt sind, werden Entwickler nicht mehr mit Unwägbarkeiten konfrontiert. Sie können sich vielmehr für ein geeignetes kommerziell angebotenes Power Modul entscheiden, das ihren jeweiligen Stromversorgungs-Anforderungen entspricht.

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