Netzteil-Prototyping Online-Designtool beschleunigt die Netzteilentwicklung und optimiert die Stromversorgungslösung

Der Zeitdruck beim Systementwurf lässt nur wenig Spielraum zur individuellen Gestaltung einer zugehörigen Stromversorgung. Dennoch müssen auch hier Vorgaben eingehalten werden. Es bleibt den Entwicklern überlassen, wie sie in der zur Verfügung stehenden Zeit zur optimalen Lösung kommen. Etwa in dem sie das kostenlose Tool WEBENCH nutzen. In vier schnellen Schritten soll dieses Netzteil-Prototyping-Tool zur optimalen Lösung führen.

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

RECOM Power GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Online-Designtools unterstützen, unabhängig vom individuellen Kenntnisstand des Entwicklers, ein unkompliziertes und optimiertes Stromversorgungs-Design mit kleinen Abmessungen, hohem Wirkungsgrad und niedrigen Kosten.

Dieser Artikel skizziert den Umgang mit dem kostenlosen Online-Designtool „WEBENCH Power Supply Designer“ von National Semiconductor, das in vier Arbeitsschritten zur Lösung führt. Es beginnt mit der Eingabe der Designparameter, aufgrund derer die Software zunächst geeignete Spannungsregler vorschlägt. Hat sich der Benutzer für eine dieser Vorschläge entschieden, wird automatisch das entsprechende Design generiert, das er anschließend optimiert. Zur Feinabstimmung ist die elektrische oder thermische Simulationen vorgesehen. Um zu verifizieren, dass die Schaltung auch auf einer realen Leiterplatte funktioniert, besteht die Möglichkeit zum Anfordern eines kundenspezifischen Prototyping-Kits. Den Abschluss bildet das Erstellen eines Reports zum Dokumentieren der Schaltung.

Spezifikation und Realisierung eines Designs

Zu Beginn des Designprozesses gibt der Anwender den gewünschten Eingangsspannungsbereich, die Ausgangsspannung, den Laststrom und die Umgebungstemperatur ein. Optional lassen sich weitere Parameter spezifizieren – zum Beispiel Wunsch-Eigenschaften wie ein On/Off-Pin, ein Error-Pin oder mehrere Ausgangsspannungen. Gemäß diesen Vorgaben präsentiert das Tool eine Liste geeigneter Spannungsregler-Lösungen, aus denen der Entwickler nach Kriterien wie zum Beispiel Wirkungsgrad, Footprint, Gesamtmaterialkosten, Bauteileaufwand, Ausgangsspannungswelligkeit und anderen wichtigen Parametern eine Variante auswählt. Ist die Entscheidung getroffen ,dann erstellt das Tool einen Entwurf. Das Bild 1 zeigt den Übersichtsbildschirm von WEBENCH Designer.

Berechnung von Materialkosten und Betriebsparametern

Die Auswahl der passiven Bauelemente für ein Netzteil ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und die Kosten der Lösung. Ein wichtiger Teil dieser Berechnungen betrifft den Wirkungsgrad der Schaltung, der nach folgender Formel ermittelt wird:

Wirkungsgrad = Pout/Pin.

Ebenso gilt:

Pin = Vout • Iout + Pdiss.

Darin steht Pdiss für die Verlustleistung aller Schaltungselemente.

Dies zeigt, dass die Verlustleistung für jedes einzelne Bauteil der Schaltung berechnet werden muss. Erst danach ist eine Aussage über die Effizienz des Designs möglich. Die Ergebnisse der entsprechenden Berechnungen werden von der WEBENCH-Software in grafischer Form ausgegeben (die entsprechenden Kennlinien sind in Bild 1 mit ‚Op Vals Charts = Operation Value Charts bezeichnet). An diesen Kurven lässt sich das Verhalten der Schaltung in den vorgegebenen Last und Eingangsspannungsbereichen ausgezeichnet ablesen.

Im Interesse eines hohen Wirkungsgrads empfiehlt sich die Verwendung von Bauelementen mit niedrigem parasitärem Widerstand, um die Verlustleistung gering zu halten. Dies steht aber häufig im Widerspruch zum Streben nach einer möglichst platzsparenden Schaltung.

Die in Bild 2 dargestellten Kurven geben für ein Buck-Schaltregler-IC (Abwärtswandler) Auskunft über den Wirkungsgrad und die Verlustleistung als Funktion von Vin und Iout.

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