Point-of-Load-Wandler Jenseits aller Marketing-Versprechen

Das Marketing soll Unternehmen helfen, sich Vorteile gegenüber dem Wettbewerb zu verschaffen. Ist es tatsächlich wichtig, ob das Produkt kleiner, schneller und leistungsfähiger ist? Die Antwort lautet wie bei den meisten Dingen im Leben: Es hängt davon ab.

von Aaron Yarnell, Field Applications Engineering Manager bei CUI.

Dieser Beitrag soll hinter die typischen Marketing-Versprechen blicken, um die wirklich wichtigen Unterschiede bei Point-of-Load-Wandlern (PoL) zu verstehen, und wie sich deren Leistungsfähigkeit auf das spezifische Systemdesign bezieht. Vier Punkte wollen wir dazu näher betrachten: Wirkungsgrad, Ausgangskapazität, Regelung und Derating.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad η drückt das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsleistung aus (Pout/Pin). Ideal wäre demnach eine Eins. Dies würde bedeuten, dass die in den Wandler eingespeiste Leistung zu 100 % am Ausgang bereitgestellt wird – ohne jegliche Verluste. In der Realität ergeben sich jedoch immer Verluste bei der Leistungswandlung. Daher preisen Marketingteams häufig den am höchsten erzielbaren Wert an, der dann für die jeweilige Anwendung der »beste« sein soll – gerne als »Spitzenwirkungsgrad« bezeichnet. Allerdings ist der Wirkungsgrad nicht ein einfacher, fester Wert, sondern eine Funktion des Laststroms oder der Ausgangsleistung.

Um darzustellen, wie der Laststrom den Wirkungsgrad beeinflusst, zeigt Bild 1 das typische Beispiel einer Wirkungsgradkennlinie für PoL-Wandler. In diesem Beispiel liegt der Spitzenwirkungsgrad bei halber Volllast. Bei geringen Lasten ist der Wirkungsgrad erheblich niedriger und er nimmt auch bei Lasten jenseits des Spitzenwirkungsgrads allmählich ab. Diese Kurven zu berücksichtigen, ist bei der Entwicklung von Stromversorgungssystemen entscheidend, da bei einer Last oberhalb oder unterhalb des Spitzenwirkungsgrads erhöhte Verluste entstehen und sich das System über Gebühr erwärmen kann. Bild 2 zeigt, dass der PoL-Wandler B trotz höherem Spitzenwirkungsgrad für diese Anwendung bei 80 % Last nicht gewählt werden sollte, sondern PoL-Wandler A.

Ausgangskapazität und Regelung

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Wahl des PoL-Wandlers ist die erforderliche Ausgangskapazität, um eine gewünschte Welligkeit der Ausgangsspannung (Ripple) und ein gewünschtes Transientenverhalten zu erzielen. Die Details rund um die Theorie und Art der externen Kapazität würde den Rahmen dieses Beitrags sprengen. Zu beachten ist, dass nicht alle PoL-Module gleich sind, auch wenn die Datenblätter ähnliche Werte angeben. Oberflächlich betrachtet weisen verschiedene PoLs eine ähnliche Ripple- und Transienten-Performance auf. Blickt man jedoch genauer auf die Testbedingungen, ergeben sich erhebliche Unterschiede, welche die Gesamtkosten und Größe der Stromversorgungslösung beeinflussen können.

Die Tabelle vergleicht zwei konkurrierender PoL-Module. Die marketinglastigen Zahlen des Datenblatts (Laststrom, Ripple-Spannung) beteuern, dass beide Module nahezu identische Leistungsmerkmale hinsichtlich Ripple und Rauschen aufweisen. Sieht man jedoch genauer hin, zeigt sich, dass PoL B 300 % mehr externe Kapazität benötigt, um die gleiche Ripple-Performance zu erzielen wie PoL A. Dies erhöht die Kosten und den Platzbedarf auf der Leiterplatte erheblich. Moderne PoL-Module sind digital geregelt, was gegenüber einer analogen Regelung wesentlich besser ist hinsichtlich Ripple- und Transienten-Performance sowie in Bezug auf die Größe der Gesamtlösung.

ParameterPoL APoL B
max. Laststrom60 A40 A
Ripple ∆Uout10 mV10 mV

∆Iout

30 A20 A
Keramikkondensatoren3 x 10 µF4 x 47 µF
Polymerkondensatoren9 x 330 µF27 x 330 µF
erforderliche Kapazität

~ 3000 µF

~ 9000 µF

 

Tabelle: Vergleich der Ausgangskapazitäten zweier PoL-Wandler.

Ein PoL-Modul liefert einen stabilen, geregelten Ausgang, um eine saubere Spannung für die Last bereitzustellen. Das Modul enthält eine Rückkopplungsschleife, die jede Abweichung von der eingestellten Ausgangsspannung auszuregeln versucht. Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, die Regelung zu implementieren; wir konzentrieren uns hier auf die Stärken und Schwächen gängiger analoger und digitaler Implementierungen.