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

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Die Eigenschaften des Kernmaterials sind zu beachten

Die Eigenschaften des Kernmaterials erschweren ebenfalls die Auswahl der richtigen Drossel. Entwickler, die Drosseln speziell für hocheffiziente Leistungskreise spezifizieren, müssen die Kernverluste berechnen und dafür sorgen, dass die Drossel in der Schaltung unter keiner Betriebsbedingung in die Sättigung geraten kann.

Kürzere Leitungen, kleinere Induktivitäten

Durch die Integration der Schaltelemente in das Gehäuse können Regler die Länge der Gate-Ansteuerleitungen minimieren und damit auch deren parasitären Induktivitäten. Die exakten Kenntnisse des kompletten Leistungspfades ermöglichen es dem Hersteller, die benötigten Eigenschaften der Drossel wie Sättigungsfluss, Fläche der Magnetisierungskurve sowie die Änderung der elektromagnetischen Eigenschaften mit der Temperatur zu spezifizieren und auf dem Markt verfügbare Bauteile zu empfehlen, welche alle Kriterien erfüllen.

Bei hohen Frequenzen und Leistungsdichten bringt ein Regler Vorteile

Der Integrationsgrad des Controllers erklärt sich aus dessen Herkunft. Dennoch bietet gerade bei hohen Frequenzen und hohen Leistungsdichten ein Regler die bessere Aufteilungsmöglichkeiten. Die Impedanz des ausgangsseitigen Knotenpunktes der Schalter ist niedrig und versorgt eine definierte Induktivität, wodurch kleine Streuinduktivitäten der Leiterbahnen nicht ins Gewicht fallen. Da die Leiterbahnen am Ausgang den vollen Laststrom führen, spezifizieren die Entwickler trotzdem eine breite Leiterbahn, um einen möglichst niedrigen Widerstand zu erzielen, was die Streuinduktivität ebenfalls reduziert.

Integration der Power-MOSFETs ins Gehäuse

Ein weiterer Vorteil der Integration der Power MOSFETs in den Wandler ist, dass Regler normalerweise ein kompakteres Layout ermöglichen als dies bei Wandlern sonst möglich ist. Dabei ist nicht nur die Einsparung von Leiterkartenplatz das Thema. Die Verkleinerung der Wechselspannungsschleife senkt auch die hochfrequenten Störabstrahlungen. Durch die steigende Anzahl von POL-Kanälen und die Notwendigkeit, Grenzwerte für Störspannungen gemäß den Normen einzuhalten, ist dies ein Punkt von steigender Wichtigkeit.

Höhere Integration verschärft Wärmeprobleme

Module sind der weitere Schritt bei der Integration und können die bereits bestehenden Probleme bei der Entwärmung von Systemen mit hoher Leistungsdichte noch verschärfen. In Buckregler-Schaltungen kann nach dem MOSFET die Drossel das Bauelement mit der höchsten Verlustleistung sein. Befindet sich die Drossel im Wandlergehäuse bedeutet dies eine weitere, signifikante Wärmequelle und der Betriebstemperaturbereich des Wandlers kann dadurch eingeschränkt werden. Daher müssen Hersteller für ihre Wandler oftmals ein Power Derating angeben, das bei wesentlich niedrigeren Temperaturen anfängt als es bei vergleichbaren Reglern der Fall ist. Derating Kurven ab 35 °C oder niedriger sind üblich.

Beispiel: Serverapplikation mit 65 °C im Gehäuse

Bei einer Serverapplikation mit Betriebstemperaturen von 65 °C im Gehäuseinneren kann die Derating Kurve eines Moduls die verfügbare Ausgangsleistung um ein Drittel reduzieren und dies ohne die für einen zuverlässigen Betrieb notwendigen Sicherheitsmargen. Im Gegensatz dazu muss bei Reglern mit externer Drossel die Ausgangsleistung oftmals erst bei Temperaturen von 65 °C oder höher reduziert werden.

Berechnen der Bauteile zur Kompensation

Die Kompensation kann ebenfalls den Einsatz von POL-Wandlern erschweren. Der Entwickler muss normalerweise die für die Kompensation des Controllers notwendigen Bauelementwerte berechnen. Überraschenderweise trifft dies auch für einige Regler und Module zu. Die Pol- und Nullstellen eines Wandlers zu bestimmen und die notwendige Kompensation zu berechnen, ist nicht jedermanns Sache und auch nicht unbedingt ein sinnvoller Einsatz wertvoller Arbeitszeit.

Der höher intergrierte Wandler muss nicht die bessere Lösung sein

Wie bereits erwähnt, muss die Wahl eines höher integrierten Wandlers nicht die automatische Option sein. Während der höhere Integrationsgrad klare Vorteile bei der Reduzierung parasitärer Effekte bringt, bedeutet eine komplette Integration bzw. der Einsatz von Modulen nicht immer eine komplette und einfach einzusetzende Lösung. Anforderungen seitens der Applikation und bei der Entwärmung müssen berücksichtigt werden, um den besten Regler oder das beste Modul für diesen Einsatz zu finden.

* Robert Gendron ist Vice President, Picor Business Unit, bei Vicor im US-amerikanischen Andover, MA.