DC/DC-Wandler Wie Sie den optimalen Integrationsgrad eines Point-of-Load-Buckreglers ermitteln

In elektronischen Systemen werden immer mehr Point-of-Load-Buckregler eingesetzt. Wir verraten Ihnen, wie Sie den Integrationsgrad eines solchen POL-Reglers optimal auswählen.

Anbieter zum Thema

Bicker Elektronik GmbH

RECOM Power GmbH

MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Vicor GmbH

Durch die wachsende Komplexität elektronischer Produkte mit einem hohen Maß verschiedenster Eigenschaften, mussten Systementwickler entsprechende Modelle für die Lasten sowie das Powermanagement entwerfen. Komplexität der Leiterkarten, Energiebudgets, Signalintegrität und in einigen Fällen auch die Entwärmung des Systems führten zu einer erhöhten Anzahl von im System eingesetzten POL (Point-of-Load) Buckreglern.

Der Entwickler soll sich auf seine eigentliche Aufgabe konzentrieren

Die zwischenzeitlich kleineren und mehr fokussierten Entwicklerteams müssen Aufgaben vereinfachen, in deren Mittelpunkt die Verwirklichung von Funktionen inklusive der Stromversorgung stehen, und sich auf Attribute konzentrieren, die eine bestmögliche Differenzierung ihrer Produkte von denen der Wettbewerber ermöglichen. Dies erfordert eine Vereinfachung des Desing-In Prozesses für die POL Wandler in nahezu allen Produktbereichen. Daraus folgt, dass sich die Bewertung der verschiedenen Optionen einer Integration der POL Wandler deutlich von der Einschätzung vor 10 Jahren unterscheidet.

Vom Controler über den Regler zum Modul

Die auf dem Markt verfügbaren Buck Wandler sind in drei Varianten erhältlich und unterscheiden sich durch den entsprechenden Integrationsgrad als Controller, Regler oder Modul.

Die höchste Intergrationsstufe muss nicht immer optimal sein

Obwohl für die meisten Funktionen ein höherer Integrationsgrad eher einen Mehrwert für das Design darstellt, kann bei den Buckreglern die Auswahl nicht automatisch nach diesem Kriterium erfolgen. Die Integration beim Einsatz von Buck Reglern bringt auch Kompromisse mit sich, deren Kosten und Vorteile nicht sofort erkennbar oder applikationsabhängig sind.

Preiswerte Controller vs. hochintegrierte Module

In Bezug auf die Materialkosten sind Controller die preiswerteste, Module die preisintensivste Option. Von den drei Varianten benötigen die Controller jedoch den höchsten Aufwand bei Entwicklung, Materialwirtschaft und Bestückung und sind am ehesten von Problemen in der Lieferkette betroffen.

Früher war ein Wirkungsgrad von 70% akzeptabel

Zu Beginn der getakteten Wandler war die Betriebsfrequenz auf wenige 10 kHz limitiert. Die Wirkungsgrade wurden noch daran gemessen, was mit Linearreglern realisierbar war, wodurch Werte von knapp über 70% noch durchaus akzeptabel waren. Unter diesen Bedingungen war es nicht besonders schwer einen MOSFET zu finden, der zum Ansteuersignal des Controllers kompatibel war.

Heute werden Wirkungsgrade von >90% erwartet

Heute arbeiten die Wandler aber mit Frequenzen im Bereich von 0,5 bis 4 MHz und es werden Wirkungsgrade von über 90% erwartet. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Kurvenform sowie die exakte zeitliche Abfolge des Gate-Ansteuerungsignals sind wesentlich anspruchsvoller. Die Gate-Treiber weisen höhere Impedanzen auf als die MOSFET-Ausgänge und die parasitären Eigenschaften der Komponenten und des Layout der entsprechenden Leiterbahnen müssen genauestens betrachtet werden.

Spezifikation der Ausgangsdrossel

Beim Einsatz eines Controllers muss auch die Ausgangsdrossel spezifiziert werden. Dies kann recht komplex werden, da etliche Faktoren die Funktion der Drossel im Buckregler beeinflussen. Leitungsverluste durch den Widerstand der Wicklung sind ein linearer Faktor bei der Gleichstrombetrachtung. Der Kompromiss besteht hier zwischen Bauteilgröße und Verlusten: größere Drosseln ermöglichen einen Draht mit größerem Querschnitt und der Widerstand sinkt mit dem Quadrat des Durchmessers. Durch die Erhöhung der Taktfrequenz kommt jedoch auch der bei jeder Drossel auftretende Skin Effekt zum Tragen und die Verluste steigen nichtlinear mit den Oberwellen der Taktfrequenz.

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