Power-Tipp Wie Sie Stromversorgungen bis zu 70 Prozent schrumpfen

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Integrierte Wandlermodule bieten eine dreimal so hohe Leistungsdichte für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot, wie EV-Traktionswechselrichter und Stromversorgungen für Rechenzentren. Zudem punkten sie mit einer höheren Gleichtakt-Transientenstörfestigkeit unter rauen Umgebungsbedingungen.

Steigende Erwartungen an die Leistungsfähigkeit von Elektrofahrzeugen und der durch wachsende KI-Nutzung gesteigerte Leistungsbedarf moderner Rechenzentren bringen es mit sich, dass Stromversorgungen immer mehr Leistung auf immer weniger Raum bieten müssen.

Traditionelle LLC- und Sperrwandler aber benötigen Übertrager, die eine erhebliche Bauhöhe haben und auf der Leiterplatte viel Platz beanspruchen. Bei diskreten Designs mit Übertragern kommen zudem unerwünschte elektrische Effekte hinzu, die die Störbeständigkeit beeinträchtigen und das Design verkomplizieren.

Abhilfe schafft die proprietäre IsoShield-Technik, die Übertrager, Schaltbausteine und passive Bauelemente so integriert, dass die Isolationsanforderungen eingehalten werden, der Platzbedarf gegenüber jetzigen Lösungen aber um bis zu 70 % schrumpft. Bild 1 zeigt ein Power-Modul auf IsoShield-Basis.

Power-Module mit integriertem Übertrager

Herkömmliche isolierte Stromversorgungs-Designs erfordern ein nicht ganz einfaches Abwägen zwischen Leistung und Platzbedarf. Bei IsoShield-basierten Power-Modulen ist dagegen der Übertrager als das meist größte Bauteil integriert, sodass extrem kleine Gehäusemaße erzielt werden.

Der DC/DC-Wandler UCC34141-Q1 etwa kommt mit bis zu 70 % weniger Platz aus als diskret implementierte Sperrwandler. Auch gegenüber bestehenden Lösungen mit integriertem Übertrager beträgt die Platzersparnis noch mehr als 35 %, was einer Zunahme der Leistungsdichte um 333 % bzw. 150 % entspricht.

Anschaulich wird die Platzersparnis in Bild 2, das ganz links einen Sperrwandler und ganz rechts den UCC34141-Q1 zeigt. Enorm wichtig ist auch eine geringe Bauhöhe. Der für mittlere Spannungen ausgelegte UCC34141-Q1 ist 2,65 mm hoch, der für niedrige Spannungen vorgesehene UCC33420-Q1 nur 1 mm. Die Ausgangsleistung beider Bausteine beträgt 1,5 W.

Ungeachtet des hohen Integrationsgrads und der geringen Größe sind die thermischen Eigenschaften und die EMI-Werte dank IsoShield unkritisch. Trotz 54 % kleinerer Gehäusemaße sind die thermischen Eigenschaften um bis zu 30 % besser, und in Sachen EMI begnügen sich die Module mit kleinen und kostengünstigen EMI-Filtern, die die Anforderungen gemäß CISPR 32 Class B und CISPR 25 Class 5 erfüllen.

Vorteile integrierter Power-Module

Die IsoShield Power-Module überzeugen durch Langlebigkeit und Zuverlässigkeit. Mit einer parasitären Kapazität von weniger als 3 pF zwischen Primär- und Sekundärwicklung erreichen die Bausteine einen CMTI-Wert von 250 V/ns.

Die Beständigkeit gegenüber eingestrahlten Störungen ist ebenso hervorragend wie die Immunität gegenüber externen Magnetfeldern. Letzteres ist insbesondere in Traktionsinvertern oder in medizinischen Geräten wie etwa MRT- oder Röntgensystemen von Bedeutung.

Starke, häufige Vibrationen, wie sie besonders in Elektrofahrzeugen auftreten, stellen für die IsoShield-Module ebenfalls kein Problem dar, denn wegen der kleinen Abmessungen und der geringen Bauhöhe werden Lötverbindungen und Leiterplatten-Pads bis zu 90 % weniger belastet als bei diskreten Übertragern, sodass das Risiko vibrationsbedingter Ausfälle entsprechend gering ist.

Beim Schaltungsdesign sind Übertrager schwierig auszuwählen, zu beziehen und in das Design zu integrieren. Während Standardausführungen häufig nicht die gewünschten Eigenschaften bieten, verursachen Sonderanfertigungen erheblichen Aufwand beim Spezifizieren der Windungszahlen, des Kernmaterials, der Induktivität und des Gehäuses.

Diese Probleme entfallen bei fertigen Bias-Stromversorgungsmodulen, bei denen der Übertrager, die Schalt-FETs und die passiven Bauelemente fertig integriert sind. Vorteilhaft ist dies speziell in KI-Rechenzentren, wo die Zeitfenster für das Design immer kleiner werden. (kr)

* Cole Neswold ist Produktmarketing-Ingenieur bei Texas Instruments in Dallas, USA.

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