3-Level-DC/DC-Wandler Wie 3-Level-DC/DC-Wandler Stücklisten- und Systemkosten senken

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3-Level-DC/DC-Wandler punkten mit höherer Effizienz bei gleichzeitig geringerem Platz- und Kostenbedarf. Da die Topologie mit kleineren Bauteilen, niedrigeren Verlusten und einer schlankeren Stückliste auskommt, eignet sie sich für leistungsstarke Stromversorgungen.

Moderne Stromversorgungssysteme sehen sich zwei widersprüchlichen Anforderungen gegenüber: höhere Leistung bei geringeren Kosten. Ob bei der Versorgung von Consumer-Elektronik der nächsten Generation, Elektrowerkzeugen oder USB-PD-Anwendungen mit hoher Leistung: Entwickler müssen effizientere Lösungen in kleinere und kostengünstigere Designs integrieren. Eine vielversprechende Antwort darauf ist die 3-Level-DC/DC-Wandlerarchitektur. Sie ermöglicht deutliche Effizienzgewinne, senkt die Stücklistenkosten (BOM) und reduziert die Leiterplattengröße.

Warum 3-Level-DC/DC?

Ein 2-Level-Buck-Controller verwendet zwei FETs (extern oder intern) und eine einzelne Induktivität zur Energieübertragung. Die Topologie wird als 2-Level-Buck-Wandler bezeichnet, da der Schaltknoten ausschließlich zwischen V_IN und Masse wechselt. In dieser Topologie müssen die FETs im ausgeschalteten Zustand die volle V_IN-Spannung sperren und die Stromwelligkeit der Induktivität erreicht bei einem Tastverhältnis von 50 % sein Maximum.

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Im Vergleich zu einem konventionellen zweistufigen (2L) Buck-Wandler besteht der dreistufige (3L) Buck-Wandler aus zwei zusätzlichen Schaltern und einem Flying Capacitor. Die Schalter Q1 und Q4 arbeiten phasenversetzt, ebenso Q2 und Q3.

Der Schaltknoten (V_SW) wechselt dabei zwischen V_IN und V_IN/2 bzw. zwischen V_IN/2 und Masse – daher die Bezeichnung „3-Level“.

Im stationären Zustand hält der Flying Capacitor eine Spannung von V_IN/2, wodurch sich die Spannungsbelastung der Schalter reduziert. Dadurch ist der Einsatz von FETs mit geringerer Spannungsfestigkeit und mit einer besseren Figure of Merit möglich, wodurch sowohl die Leit- als auch die Schaltverluste sinken.

Diese Topologie ermöglicht zudem den Einsatz einer kleineren Induktivität, da an dieser nur die halbe V_IN anliegt. Die Stromwelligkeit der Induktivität tritt mit der doppelten Schaltfrequenz der FETs auf. Dadurch beträgt die Stromwelligkeit (Spitzen-Spitzen) nur ein Viertel des Werts eines 2-Level-Wandlers, was zu reduzierten Kernverlusten und geringeren DCR-Verlusten der Induktivität führt.

Potenziale zur Reduzierung der Stückliste

Durch die Nutzung der verbesserten thermischen und elektrischen Effizienz von 3-Level-Designs können Entwickler Folgendes:

• Induktivitäten und Kondensatoren verkleinern, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

• Die Anzahl der Komponenten durch vereinfachte Snubber-Schaltungen und EMI-Filterung reduzieren.

• MOSFETs mit geringerer Spannungsfestigkeit auswählen, die kostengünstiger sind und geringere Leitungsverluste aufweisen.

Praxisnahe Anwendungsbeispiele

USB-PD-Mehrport-Ladegeräte: Bei USB-PD-Anwendungen mit hoher Leistung (insbesondere EPR > 65 W) sind Effizienz und Thermomanagement von entscheidender Bedeutung. Ein 3-Level-DC/DC-Wandler lässt sich ohne Effizienzeinbußen bei höheren Schaltfrequenzen betreiben. Dadurch sind kleinere magnetische Bauteile und ein schnelleres Transientenverhalten realisierbar. Die reduzierte Verlustwärme ermöglicht schlankere, lüfterlose Gehäuse und senkt die Fertigungs- und Materialkosten direkt.

Stromversorgungsprodukte für den Consumer-Markt: Bei Produkten wie Laptops, Dockingstationen und tragbarem High-End-Audio-Equipment ist der verfügbare Platz auf der Leiterplatte oft begrenzt. Eine kleinere Leistungsstufe reduziert nicht nur die Stücklistenkosten, sondern schafft zusätzliche Leiterplattenfläche für weitere Funktionen oder reduziert den Formfaktor. Eine Leistungsstufenarchitektur, die einen 3-Level- und einen 2-Level-Schaltknoten kombiniert, ermöglicht außerdem den Betrieb im Buck-, Buck-Boost- oder Boost-Modus.

Geringere Spannungsbelastung

Da jedes Bauteil in einem 3-Level-Wandler einer geringeren Spannungsänderung ausgesetzt ist, werden die Anforderungen an das Voltage Derating reduziert. Beispielsweise muss in einem 2-Level-Abwärtswandler, der 24 V auf 5 V herunterregelt, der High-Side-MOSFET im ausgeschalteten Zustand die vollen 24 V sperren. Dafür wird ein Bauteil mit 30 V bis 40 V Spannungsfestigkeit sowie höherem R_DS(on) und höheren Kosten benötigt. In einer 3-Level-Topologie muss der MOSFET hingegen nur etwa die Hälfte dieser Spannung (≈12 V) sperren. Dadurch kann ein MOSFET mit 15 V bis 30 V mit deutlich geringerem R_DS(on), besseren Schalteigenschaften und geringeren Kosten verwendet werden.

Dieser Effekt setzt sich im gesamten Design fort: Die reduzierte Spannungsbelastung ermöglicht es Entwicklern, Komponenten mit geringerer Spannungsfestigkeit und höherer Leistung auszuwählen. Diese weisen oft eine bessere Figure of Merit (FOM) sowie geringere Leitungs- und Schaltverluste auf. Das Ergebnis ist eine kleinere und kostengünstigere Leistungsstufe mit geringerer Wärmeentwicklung.

Vorteile: Induktivitätsgröße und Effizienz

Da die Stromwelligkeit in einem 3-Level-Wandler von Natur aus geringer ist, werden auch die Anforderungen an die Größe der Induktivität kleiner. In einem 2-Level-Buck-Wandler, der von 24 V auf 12 V herunterregelt, muss die Induktivität beispielsweise bei jedem Schaltzyklus die volle Spannungsänderung von 24 V auf 0 V verarbeiten. Dies führt zu einer höheren Stromwelligkeit (Spitze–Spitze), sodass Entwickler größere Induktivitäten mit höherem Kernvolumen und mehr Kupferwicklung einsetzen müssen. Größere Induktivitäten erhöhen nicht nur die Kosten, sondern bringen auch einen höheren Gleichstromwiderstand (DCR) mit sich. Dies steigert die Leitverluste und reduziert die Effizienz weiter.

In einem 3-Level-Buck-Wandler wird die effektive Spannung über der Induktivität halbiert, da die Schaltvorgänge zwischen den Zwischenpegeln (≈12 V zu 0 V bzw. 24 V zu 12 V) erfolgen. Dadurch wird die Stromwelligkeit um nahezu 50 % reduziert, sodass mit einer kleineren Induktivität dieselbe Stromwelligkeit erreicht werden kann. Kleinere Induktivitäten mit geringerem DCR führen zu reduzierten Leitungsverlusten, einem schnelleren Transientenverhalten und einer kompakteren Bauweise. Gleichzeitig verringert die geringere Stromwelligkeit die Belastung der Ausgangskondensatoren und verbessert die Systemzuverlässigkeit. Das Ergebnis sind eine höhere Effizienz, ein geringerer Platzbedarf und niedrigere Gesamtsystemkosten. Dadurch ist die 3-Level-Topologie besonders attraktiv für Anwendungen mit hohen Strömen und begrenztem Platz.

Auswirkungen auf die Systemebene

Der Wechsel zu einer 3-Level-DC/DC-Architektur ist nicht nur eine Änderung auf Komponentenebene, sondern hat auch Auswirkungen auf das gesamte System. Diese können sich in messbaren Vorteilen über das gesamte Produktdesign hinweg niederschlagen.

Geringere Anforderungen an das thermische Design: Da die 3-Level-Topologie Schalt- und Leitverluste reduziert, entsteht in der Leistungsstufe weniger Wärme. So kann die Verlustleistung beispielsweise in einem 200-W-USB-PD-Ladegerät im Vergleich zu einem 2-Level-Design um 1 W bis 2 W sinken. Dadurch kann ein sperriger Aluminiumkühlkörper durch ein kleineres, gestanztes Metallteil ersetzt oder sogar komplett entfallen. Dies macht Wärmeleitpads oder Heatpipes überflüssig und reduziert die Stücklistenkosten sowie die Montagekomplexität.

Kleinere Leiterplattenfläche für die Leistungswandlung: Durch geringere Verluste und reduzierte Spannungsbelastung können Induktivitäten und Kondensatoren kleiner ausgelegt werden. In einem typischen Notebook-Netzteil kann die Fläche der Leistungsstufe beispielsweise um 20 % bis 30 % reduziert werden. Dadurch wird wertvoller Platz auf der Leiterplatte frei, der für zusätzliche Anschlüsse, Wireless-Charging-Spulen oder ein optimiertes mechanisches Design genutzt werden kann. Zudem ermöglichen kleinere Bauteile eine kompaktere Bauweise und erleichtern es, Vorgaben hinsichtlich Gehäusegröße oder Gewicht einzuhalten.

Höhere Effizienz führt zu geringeren Betriebskosten für den Endanwender: Bei Consumer-Geräten mit hohen Stückzahlen führen Effizienzsteigerungen von 0,5 % bis 1 % bereits zu spürbaren Energieeinsparungen über die gesamte Lebensdauer des Produkts. So verliert beispielsweise ein 95 % effizienter 3-Level-USB-PD-Ladeadapter mit 240 W bei achtstündigem Betrieb unter Volllast pro Tag rund 12 W weniger Leistung als ein 93 % effizientes 2-Level-Design. Dadurch werden sowohl die Stromkosten als auch die Wärmeentwicklung für den Endanwender reduziert. Dies ist besonders relevant in Unternehmens- oder Datenzentrumsumgebungen, in denen Dutzende oder Hunderte solcher Geräte zum Einsatz kommen.

Fazit

Der 3-Level-DC/DC-Wandler ist eine überzeugende Lösung, um den Mehrwert in Stromversorgungssystemen zu maximieren. Da sich die Stücklistenkosten reduzieren, Bauteile kleiner werden und sich das Thermomanagement vereinfacht, können Entwickler mit dieser Topologie leistungsstarke und kosteneffiziente Produkte realisieren, die den Anforderungen moderner Anwendungen gerecht werden. Mit der zunehmenden Nachfrage nach USB-PD und anderen Hochleistungsanwendungen wird der 3-Level-Ansatz für Entwickler zunehmend attraktiver, die sowohl Leistung als auch Wirtschaftlichkeit im Blick haben. (mr)

* Alex Zhou ist Manager, Product Marketing bei Renesas

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