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DC/DC-Module sind effizienter

07. März 2019, 10:53 Uhr   |  Reinhard Zimmermann

DC/DC-Module sind effizienter
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Moderne Controller-Chips machen den diskreten Aufbau von Schaltreglern scheinbar zum Kinderspiel. Warum also für fertige Module mehr Geld ausgeben, anstatt das Controller-IC zusammen mit den empfohlenen externen Komponenten direkt auf der SMD-Platine platzieren?

Auf den ersten Blick klingt es logisch: Man platziere ein nur 2 mm × 2 mm großes Controller-IC neuester Technologie zusammen mit den vom Hersteller empfohlenen Komponenten direkt auf der Platine und bekommt für wenig Geld einen voll funktionsfähigen Schaltregler – »all inclusive« mit hohem Wirkungsgrad, niedrigem Ruhestrom und allen denkbaren Schutz- und Steuermechanismen – in der Theorie. Denn wie so oft, steckt auch hier der Teufel im Detail.

Schnelle Lastwechse

Die von den Chipherstellern vorgeschlagenen Schaltungsbeispiele gehen meist davon aus, dass die überwiegende Last statisch ist. Dementsprechend kommen sie mit ein paar wenigen zusätzlichen Komponenten aus. In der Praxis aber sind statische Lasten eher die Ausnahme als die Regel. Lastwechsel im Verhältnis 1:1.000.000 sind keine Seltenheit – beispielsweise dann, wenn ein Mikrocontroller in den Schlafmodus wechselt.

Was aber bedeutet es für einen Schaltregler, wenn der Strombedarf seiner Last schlagartig von einigen Ampere in den Mikroamperebereich sinkt? Dann nämlich spielt es keine Rolle mehr, wie »intelligent« das verbaute Controller-IC ist – dann gelten die Gesetze der Physik. Die während einer Halbwelle in der Induktivität gespeicherte Energie wird in der nächsten Halbwelle Richtung Last transferiert. Geht diese aber schlagartig gegen Null, bleibt nur der Weg in den Energiespeicher, also in die Ausgangskapazität: 
      
Diese überschüssige Energie lässt die Spannung am Kondensator schneller steigen. Zunächst fährt der Controller die Einschaltzeit (On Time) gegen Null. Ist dann noch etwas Restenergie in der Induktivität, kann der Chip die Ausgangsspannung nicht mehr korrekt regeln. Für ein Design mit niedriger Ausgangsspannung kann sich diese sogar verdoppeln, sofern die Kapazität nicht wesentlich höher ist als die Empfehlung aus dem Datenblatt.

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Bild 1: Nur 1,5 cm² groß ist die Platine der RPM-Module von Recom Power, die dem DOSA 2nd-Generation-High-Density-Format entsprechen und am Ausgang mit sechs parallel geschalteten Kondensatoren bestückt sind, um auch schnelle Lastwechsel zu meistern.

Wer diese Problematik in den Griff bekommen möchte, muss einen wesentlich größeren Aufwand treiben. Bei einem guten Design, wie in der neuen RPM-Serie von Recom Power, ist der Ausgang mit sechs parallel geschalteten Kondensatoren gepuffert (Bild 1) – wesentlich mehr als von den Chipherstellern empfohlen. Zudem hat die Parallelschaltung mehrerer kleiner Keramikkondensatoren eine wesentlich größere Oberfläche als ein einzelner großer, sodass sie mehr Wärme aus dem IC und den Induktivitäten in die Masselage ableiten können. Außerdem haben sie noch einen geringeren ESR (äquivalenter Serienwiderstand).

EMV-Kompatibilität

Lassen sich die zuvor beschriebenen schaltungstechnischen Klippen bei diskreten Designs mit entsprechendem Mehraufwand umschiffen, landet man in Sachen EMV-Kompatibilität schnell in einer Grauzone. Denn die Leistungsfähigkeit eines Filters hängt nicht nur vom Controller-IC selbst ab, sondern ganz entscheidend auch vom Platinenlayout. Deshalb publizieren IC-Hersteller oft keine verlässlichen Vorschläge. Da der Anwender meist wenig über die Interaktion zwischen IC und Platine weiß, kann er im Voraus kaum wissen, ob seine Schaltung den EMV-Test besteht.

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Bild 2: Leitungsgebundene Störabstrahlung beim 30-W-Modell RPM5.0-6.0 mit den im Datenblatt empfohlenen externen Filterkomponenten für Class B.

Und dieser Aspekt wird umso kritischer, je weiter die Schaltfrequenzen steigen. Dies wird aber oft angewendet, um die Größe der Induktivitäten zu reduzieren. Aus der Fourier-Transformation wissen wir, dass sich jedes Rechtecksignal in eine Serie von Sinusschwingungen höherer Frequenzen zerlegen lässt. Je höher die Schaltfrequenz, umso weiter verschieben sich die Harmonischen hin zu höheren Frequenzen. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eine oder mehrere dieser Harmonischen mit den in der Platine »versteckten« Streuinduktivitäten und -kapazitäten eine Resonanz ausbilden.

Ein fertiges Modul dagegen ist eine zertifiziertes Bauteil, das hinsichtlich EMV-Kompatibilität optimiert ist. Die RPM-Serie beispielsweise verfügt über eine vierlagige Platine, deren unterste Schicht zusammen mit dem Metallgehäuse eine nach sechs Seiten abgeschirmte Einheit bildet. Entsprechend gut ist die EMV-Kompatibilität. Im Datenblatt finden sich Angaben über einfache, im eigenen EMV-Labor erprobte SMD-Ferritperlen, mit denen sich Class A- oder B-Compliance erreichen lässt (Bild 2). Je nach Güte der primären Stromversorgung und der Distanz zwischen Last und Modul kann man auf diese sogar ganz verzichten.

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