Stromversorgung Isolierender DC/DC-Wandler als Chip-Lösung

Zur Stromversorgung komplexer Systeme haben sich zwei Konzepte etabliert. Dieser Beitrag zeigt, wie sich mit isolierten DC/DC-Wandlern die Vorteile beider Architekturen kombinieren lassen.

Anbieter zum Thema

TRACO ELECTRONIC GMBH

Bicker Elektronik GmbH

RECOM Power GmbH

Zur Energieversorgung komplexer Systeme sind immer mehr präzise geregelte Spannungen und immer höhere Wirkungsgrade gefordert – während der Platz auf der Leiterplatte schrumpft. Um diese konträren Forderungen erfüllen zu können, entstanden für große Installationen, etwa in Netzwerk- und Telekommunikationsanwendungen, verschiedene Strukturen wie die in Bild 1 dargestellten Typen DPA (Distributed Power Architecture) und IBA (Intermediate Bus Architecture).

Bei DPA wird die Netzspannung auf eine Gleichspannung von 36 bis 75 V oder auch 36 bis 60 V gewandelt und auf die Backplane gebracht. Einzelne Wandler erzeugen dann direkt aus dieser Busspannung die von der jeweiligen Last benötigte Spannung.

In einer IBA-Struktur wird die Netzspannung zunächst ebenso wie bei einem DPA-System auf eine Zwischenkreisspannung im gleichen Spannungsbereich umgesetzt. Je nach Spannungsbereich wird diese Spannung dann entweder mit einem nicht geregelten oder einem halbgeregelten, so genannten Intermediate Bus Converter (IBC), weiter herunter gewandelt, um damit die nachgeschalteten, nicht isolierten Point-of-Load-Wandler (NiPOLs) mit deren engerem Eingangsspannungsbereich zu versorgen. Diese NiPOLs erzeugen dann die von den jeweiligen Lasten benötigten Versorgungsspannungen.

Alles in allem erzielt eine DPA-Architektur die besten Wirkungsgradwerte, da nur wenige in Serie geschaltete Wandlerstufen zum Einsatz kommen und die Verluste auf dem Bus gering sind. Allerdings sind Kosten und Platzbedarf höher als bei IBA-Systemen, die jedoch einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad haben. Ideal wäre es, wenn sich der hohe Wirkungsgrad und die Vorteile in Sachen Komponenten- und Modul-Technologie der DPA mit den Platzeinsparungen der IBA kombinieren ließen. Und das ist nun möglich – und zwar mit den isolierten Wandlern Cool-Power PI3101 der Vicor-Tochter Picor.

Aus einem weiten Eingangsspannungsbereich von 36 bis 75 V liefert dieser kompakte Baustein eine galvanische getrennte Spannung von 3,3 V mit einer Leistung von 60 W und erzielt dabei Leistungsdichten von 400 W/in³ bzw. 105 W/in².

Mit der effizienten, weich schaltenden Topologie und dem integrierten PSiP-Konzept (Power-System-in-Package) konnte ein Wandler realisiert werden, der die Leistung eines 1/16-Bricks liefert, aber mit 22 mm x 16,5 mm x 6,7 mm weniger als halb so groß ist. Dieser Wandler ähnelt eher einem IC als einer Stromversorgung - und er lässt sich in der Produktion auch wie ein IC verarbeiten. Er enthält alle notwendigen Funktionen einer kompletten isolierten und geregelten Stromversorgung mit externen Trimm- und Softstartmöglichkeiten sowie kompletten Schutzfunktionen.

Den Platzbedarf zu reduzieren ist sicher eines der Ziele bei der Entwicklung einer Stromversorgung. Allerdings sollen moderne Systeme auch einen immer höheren Datendurchsatz bieten – und die dafür notwendigen Funktionen und Komponenten benötigen ebenfalls Platz. Deshalb kommt jeder mm² auf der Platine, der bei der Stromversorgung eingespart werden kann, einem höheren Datendurchsatz zugute.

Kommen wir zurück auf die DPA-Konfiguration: Ohne einen PI3101 kämen vier 1/16 Bricks zu Einsatz, um die benötigten regulierten Spannungen zu erzeugen. Mit den entsprechenden Wandlern der PI310x-Cool-Power-Familie kann der Platzbedarf im System um den Faktor 2 reduziert werden. Betrachten wir nun die IBA-Konfiguration. Bei einem Eingangsspannungsbereich zwischen 36 und 75 V, einer festen IBA-Busspannung und dem angenommenen Leistungsbedarf müsste ein IBA-Wandler in der Größe eines 1/8-Bricks eingesetzt werden. Einzelne nachgeschaltete und vertikal montierte SMD-NiPols würden dann die verschiedenen Versorgungsspannungen erzeugen. Eine Reduzierung des Platzbedarfes ist möglich, indem PI310x-Cool-Power-Wandler die 2,5 und 3,3 V liefern und ein weiterer PI3101 die 3,3 V erzeugt, aus der ein NiPOL dann Versorgungsspannungen im Bereich von 1 V generiert. Je nach Aufbau (SMD oder vertikal montiertes System) ergibt sich eine Platzreduzierung von 40 bis 75%.

Bild 2 verdeutlicht die Platzeinsparung, die mit einer Lösung auf Basis der Cool-Power-Wandler gegenüber herkömmlichen DPA- und IBA-Systemen möglich ist.

Der isolierte PI3101 ist nur 5,6 mm länger als aktuelle, nicht isolierte DC/DC-Wandler und dünner als typische DOSA-Wandler, was iPOL-Versorgungen (Isolated Point-of-Load) ermöglicht. Mit dem PI3101 wird eine maximale Designflexibilität erzielt, da die Busspannung von 48 V direkt bis zur Last geführt werden kann, um dort die von der Last benötigte isolierte Kleinspannung zu erzeugen.

Eine alternative Strategie wäre die Entwicklung einer diskreten Stromversorgung. Um die geforderten Leistungen in den oben erwähnten Applikationen zu erreichen, müsste für einen Sperrwandler mit Synchrongleichrichter zuerst ein Schaltregler-IC ausgewählt werden, das keine optische Rückkopplung in der Regelschleife benötigt. Für typische Bausteine gibt es Referenzdesigns für einen Ausgang mit 40 W bzw. 3,3 V/12 A. Insgesamt erfordert die Schaltung rund 45 Bauteile.

Das ist zwar wenig im Vergleich zu anderen Lösungen, jedoch werden zudem meist auch zwei kundenspezifische Induktivitäten benötigt. Der Transformator allein ist schon größer als ein PI3101 und auch mit seinen 45 Bauteilen liefert dieses Design nur 2/3 der Leistung eines Cool-Power-Moduls.

Die PI310x-Familie eignet sich auch für Power-over-Ethernet. Mit einem einzigen Cool-Power-Modul ist die kleinste Stromversorgung realisierbar, die die maximale in diesem Standard definierte Leistung liefert. Für Anwendungen, die eine exakte Spannungsregelung an der Last benötigen, ist Fühlerleitungsbetrieb möglich. //TK/KU

* * Cris Swartz ... ist Principal Applications Engineer,

* * Carl Smith ... ist Director Strategic Marketing & Business Development bei Picor.

(ID:26465390)