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DC/DC Schaltregler mit 7,0 bis 76 VDC Eingang

31. Mai 2021, 11:23 Uhr   |  Alexandra Chromy

DC/DC Schaltregler mit 7,0 bis 76 VDC Eingang
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Elektronische Geräte in der Industrie und Kommunikationstechnik werden mit Spannungen von 12 V, 24 V und 48 VDC versorgt und sind hohen Transienten ausgesetzt. Sie erfordern daher einen weiten Eingangsspannungsbereich. Die BD9G500EFJ DC/DC-Schaltregler-ICs von ROHM unterstützen diese Anforderungen.

Neue Lösungen für Industrie- und Kommunikationstechnik:

Stromversorgungslösungen mit weitem Eingangsspannungsbereich

Immer mehr Applikationen aus der Industrie und Kommunikationstechnik erfordern nicht nur robuste Stromversorgungslösungen mit einem weiten Eingangsspannungsbereich, sondern sind auch hohen Transienten ausgesetzt. Packungsdichten auf Leiterplatten steigen an, Bauteilkosten werden reduziert. Gleichzeitig steht die Branche vor wachsenden Marktanforderungen im Bereich der Stromversorgung. ROHM entwickelt daher DC/DC Schaltregler mit erweitertem Eingangsspannungsbereich, die hohe Transienten zulassen.

Elektronische Geräte, wie sie in der Industrie, Kommunikationstechnik und Automobilbranche zum Einsatz kommen, werden mit Spannungen von z.B. 12 V, 24 V und 48 VDC versorgt und sind hohen Transienten ausgesetzt. Sie erfordern daher einen weiten Eingangsspannungsbereich.

Der Eingangsspannungsbereich von DC/DC Schaltregler ICs orientiert sich an den Anforderungen und Standards der entsprechenden Branchen. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht von Eingangsspannungsbereichen in diversen Branchen:

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Tabelle 1: Eingangsspannungsbereiche in verschiedenen Branchen

Tabelle 1 zeigt, dass unterschiedliche Anwendungen von Stromversorgungen in verschiedenen Branchen zu unterschiedlichen Anforderungen an DC/DC Schaltregler und den darin eingesetzten ICs führen.

Industrielle Applikationen aus dem Bereich von eMeter, SPS, Fabrikautomatisierung und industrielle Kommunikation werden beispielsweise mit 12 VDC, oder 24 VDC versorgt. Schienenfahrzeuge wie Kleinbahnen, oder Straßenbahnen, die mit Versorgungsspannungen von 24 DC, oder 48 VDC versorgt werden, weisen einen Eingangsspannungsbereich von bis zu 72 VDC auf.

Besonders hohe Anforderungen für Cloud-Server und Basisstationen

Weit höher sind die Anforderungen in der Kommunikationstechnik. In dieser Branche werden Backplanes mit 48 VDC gespeist und es sind Eingangsspannungsbereiche von bis zu 75 VDC erforderlich. Das sind typische Anforderungen von Applikationen wie sie in 5G Basisstationen und Cloud Servern verwendet werden.

Transienten haben unterschiedliche Ursachen und können elektronische Schaltungen beschädigen. Sie treten sporadisch auf und sind oft schwer reproduzierbar. Beispielsweise entstehen auf Versorgungsleitungen durch wechselnde Lasten Ausgleichspannungen, die zu Transienten von bis zu 60 V führen.

Ihre Impulsformen weisen eine unterschiedliche Anstiegszeit und Impulsdauer auf. Bild 1 zeigt die Impulsform eines Burst- und Surge Impulses, wie sie beispielsweise in EMV‑Laboren an Stromversorgungen beaufschlagt wird, um eine Störfestigkeitsprüfung durchzuführen.

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Bild 1: Burst/Surge Impulsform, gemäß IEC61000-4-4/IEC61000-4-5

Burst‑Impulse sind schnelle Transienten, die unter anderem entstehen, wenn über den Kontakten von prellenden Schaltern Ausgleichsvorgänge stattfinden. Atmosphärische Einflüsse wie Blitzeinschläge führen zu hochenergetischen Transienten. Sie werden Surge‑Impulse genannt. Ein Burst‑Impuls ist im Gegensatz zum Surge-Impuls in seiner Anstiegszeit und Impulsdauer kürzer und tritt mehrmals hintereinander in Paketen auf.

Bisher verfügten DC/DC Schaltregler über einen Eingangsspannungsbereich bis zu 32 VDC. Sie wurden üblicherweise mit zusätzlichen externen Bauteilen, z.B. Varistoren, Schottky- und TVS‑Dioden beschaltet, um vor Zerstörung durch hohe Transienten zu schützen. Bild 2 zeigt eine typische Schutzbeschaltung eines DC/DC Schaltreglers.

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Bild 2: DC/DC Schaltregler mit Überspannungsschutzelement

Verfügt ein DC/DC Schaltregler IC über einen weiten Eingangsspannungsbereich, so können zusätzliche externe Schaltungsschutzbauteile entfallen. Dies spart Platz auf der Leiterkarte und reduziert BOM-Kosten. Entwickler von Stromversorgungsschaltungen setzen es sich daher zum Ziel, DC/DC Schaltregler ICs mit einem hohen Eingangsspannungsbereich von bis zu 75 VDC in ihren Applikationen zu implementieren.

Aus diesem Grund hat ROHM Semiconductor seine Produktfamilie der DC/DC Schaltregler Serie BD9Gxxx um einen IC mit breitem Eingangsspannungsbereich erweitert. Der neue Buck‑DC/DC Schaltregler‑IC BD9G500EFJ im HTSOP‑J8 Gehäuse (Bild 3) erlaubt mit seinem Eingangsspannungsbereich von 7.0 VDC bis 76 VDC Transienten bis zu 80 V.

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Bild 3: BD9G500EFJ im HTSOP‑J8 Gehäuse

Seine geplante lange Verfügbarkeit auf dem Markt und weiter Eingangsspannungsbereich ermöglichen einen perfekten Einsatz in der Industrie. Anwendungsbeispiele sind Speicher‑Programmierbare Steuerungen (SPS), die mit 24 VDC versorgt werden, oder Anwendungen aus der Kommunikationstechnik, wo aus einer 48 VDC Backplane die Versorgung von ‑/+12 V für analoge Schaltungsteile erfolgt.

Dank seiner „Current Mode Control-“ Regeltopologie können sogar bei einem Ausgangsstrom von 5 A stabile Ausgangsspannungen erzeugt werden. Somit lässt sich dieser DC/DC Schaltregler IC ideal auch als „POL Converter“ in 5G Basisstationen einsetzen.

Bei der Auslegung eines DC/DC Schaltreglers sind die Dimensionierung und die Auswahl entsprechender passiver Bauelemente, wie Spule und  Ausgangskondensatoren besonders wichtig. Sowohl Wechselspannungsverluste als auch Gleichspannungsverluste, (AC und DC Verluste), können bei einer ungünstigen Auslegung der Spule den Wirkungsgrades verschlechtern.

Ein herausragendes Merkmal des BD9G500EFJ ist seine flexible, zwischen 100 kHz und 650 kHz einstellbare Schaltregler-Frequenz. Mit Hilfe dieser Funktion ist es möglich, die Effizienz einer Stromversorgungslösung mit Rücksicht auf die Auswahl der externen passiven Bauelemente zu optimieren. Je nach Anforderung an die Stromversorgung kann mit dem BD9G500EFJ bei niedriger Schaltregler-Frequenz eine Hochstrom-Lösung mit hohem Wirkungsgrad generiert werden.

Integrierter MOSFET für hohen Wirkungsgrad und 1/3 weniger PCB Platzbedarf

ROHM Semiconductor hat aus diesem Grund bei der IC Entwicklung ein besonderes Augenmerk auf die Auslegung des integrierten Highside MOSFETs gelegt, der mit nur wenigen Milliohm einen wichtigen Beitrag zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades erzielt.

Bild 4 zeigt den Wirkungsgrad als Funktion der Eingangsspannung bei einer Ausgangsspannung von 5 V. Wie zu sehen ist, beträgt der Wirkungsgrad bei einer Eingangsspannung von 7 V und bei 100 mA Ausgangsstrom 95 %. Selbst bei Volllast erzielt ein Schaltregler mit dem neuen IC BD9G500EFJ einen Wirkungsgrad von über 85%.

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Bild 4: Effizienz des BD9G500EFJ bei 5 V Ausgangsspannung

Zahlreiche, im IC integrierte Schutzfunktionen, wie Over Voltage Protection, Under Voltage Lockout, Thermal Shutdown und Over Voltage Protection, bieten die nötigen  Überwachungsmöglichkeiten und gewährleisten eine zuverlässige, sichere Funktionsweise einer Stromversorgung.

Zeitdruck bei der Entwicklung und steigende Komplexität der Leiterplatten erfordern ein einfaches und schnelles Stromversorgungsdesign mit DC/DC-Schaltreglern. ROHM konzentriert sich deshalb auf eine möglichst umfangreiche Integration von externen Bauteilen wie eines MOSFETs am Ausgang des Schaltreglers. Bild 5 zeigt einen Vergleich zwischen einem herkömmlichen DC/DC Schaltregler und der Lösung mit integriertem MOSFET.

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Bild 5: DC/DC Schaltregler mit externen und integriertem MOSFET

Dank der Implementierung des MOSFETs in das Gehäuse des DC/DC-Schaltregler-ICs, werden die Entwicklungszeit der Stromversorgung verkürzt, der Platzbedarf auf der Leiterkarte um ein Drittel reduziert und die BOM-Kosten gesenkt.

Fazit

Bei ROHMs neuem Produkt BD9G500EFJ handelt es sich um einen asynchronen, nicht-isolierten Current-Mode-DC/DC-Schaltregler-IC mit einem breiten Eingangsspannungsbereich von 7,0 bis 76 VDC. Der IC eignet sich ideal für Schaltungen in der Industrie oder der Kommunikationstechnik, wo bipolare Spannungsversorgungen mit ±12 VDC benötigt werden.

Die integrierten Funktionen, wie eine einstellbare Schaltregler Frequenz, Soft Start, Over Current Protection (OCP), Under Voltage Lockout (UVLO) und Thermal Shutdown (TSD), Over Voltage Protection (OVP) kommen in DC/DC Schaltreglern zum Einsatz.

Weitere Eigenschaften sind eine geringe Ruhestromaufnahme, ein hoher Ausgangsstrom und ein integrierter Highside MOSFET mit geringem Drain‑Source Widerstand. Alle Funktionen und Eigenschaften sind vereint in einem HOSOP-J8 Gehäuse.

Die hohe Funktionsvielfalt ermöglicht das Design eines DC/DC-Schaltreglers mit weitem Eingangsspannungsbereich, der ein breites Applikationsspektrum an Stromversorgungen mit hohen Transienten abdeckt und die Realisierung von Stromversorgungen mit hohen Ausgangsströmen und bipolaren Ausgangsspannungen ermöglicht.

ROHM Semiconductor GmbH

Karl-Arnold-Str. 15

D-47877 Willich-Münchheide

Tel.: +49 2154 921 0

Fax: +49 2154 921450

www.rohm.com

Stefan Klein
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Kurzbiografie - Stefan Klein

Stefan Klein hat an der Fachhochschule Düsseldorf Elektrotechnik mit Schwerpunkt Mikrotechnologie studiert. Er hat über 16 Jahre Berufserfahrung in den Bereichen Produktentwicklung und Application Engineering und war an der Hochschule Karlsruhe als Dozent für elektronische Bauelemente tätig. Aktuell ist er als Field Application Engineer im Application and Technical Solution Center bei ROHM Semiconductor in Willich tätig, wo er den Bereich Power Management ICs für Automobil und Industriekunden in Europa betreut.

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