Hoch integrierte DC/DC-Wandler-ICs Integration in fünf Schritten

In den meisten elektronischen Systemen gibt es einen Trend zur höheren Integration und Verkleinerung von Baugruppen, auch bei Stromversorgungen. Welche Teile können in DC/DC-Wandler-ICs integriert werden, und wo liegen die Vor- und Nachteile?

Die Integration und Verkleinerung von Baugruppen kann entweder zu kleineren Geräten führen, oder auch zum Integrieren von zusätzlichen Funktionen in eine bestehende Gerätegröße. Bei Stromversorgungen wird dieser Trend mit zweierlei Ansätzen umgesetzt. Zum einen durch die Miniaturisierung und Integration von passiven externen Bauteilen wie Induktivitäten oder Kondensatoren, zum anderen durch die Integration von mehreren notwendigen Spannungsversorgungen in einem integrierten Schaltkreis.

Diese höhere Integration muss funktionsbedingt auf die jeweilige Anwendung angepasst sein, wegen wirtschaftlicher Anforderungen müssen solche Bausteine jedoch in vielen Anwendungen einsetzbar sein. Neue Bausteine versuchen diesen Spagat zu adressieren und Lösungen zu bieten.

Integration der Schalttransistoren

Bild 1 zeigt den Aufbau eines frühen Schaltreglers. Er zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungsfunktionalität in einem Schaltregler-IC ausgeführt ist. Das Schaltelement war üblicherweise ein diskreter Bipolartransistor. Der zweite Schalter war passiv mit einer Freilaufdiode, häufig einer Schottky Diode, ausgeführt.

Als erster Integrationsschritt wurde der Schalttransistor bei kleinen Leistungen mit der Regelschaltung in einem Halbleiterprozess integriert. Diese Kombination war vom Anwender einfach zu bedienen und der Schalttransistor konnte bereits auf die Regelschleife des Steuerungs-ICs angepasst werden.

Dennoch hat dieser Integrationsschritt auch Herausforderungen mit sich gebracht. Ein Halbleiterprozess, der für Leistungs-MOSFETs optimiert ist, braucht nur wenige Prozesslagen und muss für größere Geometrien preisgünstig herstellbar sein. Eine Halbleiter Prozesstechnologie, mit der man die Regelungsschaltung herstellen kann, braucht viele Lagen und ist entsprechend kostenintensiv. Das ist durch die Notwendigkeit einer akkuraten Spannungsreferenz, genauer Komparatoren, Operationsverstärker sowie Taktschaltungen für die Funktion der Regelschleife und des PWM-Generators begründet.

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