Miniatur-Gleichspannungswandler Leistung ohne Kompromisse

Bislang mussten Ingenieure bei DC/DC-Wandlern trotz steigender Leistung Einschränkungen hinnehmen. U.a. verringerte ein Absenken der Verluste in den Bauteilen der Rückkopplungsschleife deren Leistung. Nun ist es gelungen, ebenjene Einschränkungen zu überwinden.

Auch wenn Hersteller von Abwärts- und Aufwärtswandlern für Gleichspannungen viele verschiedene Topologien einsetzen, um ihre Komponenten für Größe, Geschwindigkeit, Effizienz oder Kosten zu optimieren, so haben sie doch eines gemeinsam: Sie setzen zwei Schalter ein, um die Eingangsspannung in die Ausgangsspannung umzuwandeln (Bild 1). Ein Controller überwacht die Ausgangsspannung, und diese Rückkopplung bestimmt die Impulsbreite, die benötigt wird, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erzielen.

In einem Gleichspannungswandler tragen mehrere Elemente zu Leistungsverlusten bei:

  • nicht-ideale externe Komponenten wie Spulen und Kondensatoren,
  • nicht-ideale Schalter führen zu Widerstandsverlusten, wenn Strom durch sie fließt (im Dauerbetrieb unter hoher Last ist dies der wichtigste Verlustfaktor).
  • interne Steuerschaltungen, die Energie verbrauchen. Das kann ein Nulldurchgangsdetektor, ein Stromsensor oder eine Referenzspannungsquelle sein. Diese Verluste fallen vor allem bei geringer Last ins Gewicht.

Es gibt einen einfachen Weg, die Widerstandsverluste im Dauerbetrieb zu verringern: größere Schalter. Dies ist bei Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen jedoch unerwünscht. Eine Vergrößerung der Fläche erhöht außerdem die Kosten für den Baustein. Man muss daher einen Kompromiss schließen: Einerseits müssen die Schalter auch bei Spitzenlast groß und effizient genug sein, andererseits müssen sie sich in das Leiterplattendesign integrieren lassen und das Budget für die Materialkosten (Bill of Material; BoM) nicht sprengen.

Am wichtigsten bei geringen Lasten ist es, die Leistungsaufnahme der internen Steuerschaltungen zu reduzieren – was dann jedoch zu Lasten der Geschwindigkeit und Genauigkeit geht. Außerdem müssen Funktionen wie die Erkennung des Nulldurchgangs und die Strommessung weiterhin eine hohe Performance haben, da sonst der gesamte Betrieb des Wandlers gefährdet sein könnte.

Waffeln senken Widerstand

Die eben beschriebenen Einschränkungen sind grundsätzlicher Natur und werden von physikalischen Gesetzen vorgegeben. Das bedeutet beispielsweise, dass bei einem größeren Schalter, der mit einem bestimmten Prozess hergestellt wurde, geringere Energieverluste auftreten, als bei einem kleineren Schalter aus demselben Prozess. Mit einem verbesserten Prozess lassen sich hingegen effizientere kleine Schalter produzieren. Und dies ist der Weg, den die Hersteller eingeschlagen haben, um den Einfluss der fundamentalen Einschränkungen zu mildern.

So wird zum Beispiel in der letzten Generation von Leistungsschaltern von ams ein MOSFET mit einer Waffelstruktur in einem Standard-CMOS-Prozess realisiert. Die Waffelstruktur zeichnet sich durch ihren äußerst geringen Einschaltwiderstand RDS(on) und eine hohe Anzahl von Kontaktpunkten in jedem stromführenden Weg aus. Beide Eigenschaften reduzieren die Widerstandsverluste. Der MOSFET im »AS3729B« nutzt diese vorteilhafte neue Waffelstruktur. Er ist zum Einsatz in den Leistungskreisen gedacht, welche die großen Anwendungsprozessoren in batteriebetriebenen Geräten wie Tablets und Smartphones versorgen. Er ermöglicht Spitzenlasten von 8 A, und sein Wirkungsgrad beträgt in der Spitze über 90%. Dabei ist er in seinem WLP-Gehäuse gerade einmal 1,615 mm x 1,615 mm groß. Das Bauteil hat zwei Kanäle mit einer Spitzenlast von 4 A pro Kanal (Bild 2). Jeder Schalteranschluss ist symmetrisch mit zwei Kontakten am Bauteil verbunden, der Spitzenstrom pro Kontakt beträgt demzufolge 2 A. Dieser relativ geringe Wert trägt dazu bei, die Widerstandsverluste unterhalb dessen zu halten, was man normalerweise bei einem MOSFET für Schaltleistungen von 8 A erwarten würde.