Welche Lösung ist besser Point-of-Load-Stromversorgungen: Diskret oder modular?

Immer weniger Firmen haben eigenes Stromversorgungs-Know-how im Haus, die entsprechenden Komponenten werden heute meist zugekauft. Bei PoL-Wandlern gibt es dabei zwei verschiedene Herangehensweisen: Entweder man baut das Schaltungsbeispiel, das viele Power-ICHersteller mitliefern, selbst diskret auf, oder man kauft gleich ein fertiges Modul, das wie ein Bauteil nur noch bestückt werden muss. Welche Lösung ist besser?

Hinter dem Übergang von diskreten zu modularen Stromversorgungen steckt mehr als nur die größere Auswahl und Verfügbarkeit. In den meisten Elektronikunternehmen tendiert das Verhältnis zwischen analogem und digitalem Entwicklungs-Know-how immer mehr zu digitalem Fachwissen, denn die Digitaltechnik bestimmt in den meisten Fällen den Funktionsumfang eines Endprodukts. Die Stromversorgung spielt dabei nur noch eine Nebenrolle, sie soll die Leistung zur Verfügung stellen, damit die digitalen Bauelemente ihre immer umfangreicher werdenden Aufgaben erledigen können.

Dies geht sogar so weit, dass kleinere Unternehmen keine eigenen Power-Spezialisten mehr beschäftigen. Um das mitunter begrenzte Power- Know-how bei Kunden auszugleichen und die Implementierung zu vereinfachen, stellen die Anbieter der Primärkomponenten einer diskreten PoL-Lösung – beispielsweise der Stromversorgungs-Controller oder der MOSFETs – meist einen Schaltplan der gesamten PoLSchaltung inklusive Stückliste zur Verfügung. Für den Kunden stellt dies bei der Beschaffung der verschiedenen Bauteile und bei der Implementierung des Designs auf der Platine eine große Hilfe dar.

Noch bis vor kurzem waren die Gesamtkosten der einzelnen Komponenten für eine diskrete PoL-Lösung geringer als die eines fertigen Moduls. Allerdings sinken die Preise für PoL-Module aufgrund des hohen Wettbewerbsdrucks, da immer mehr Anbieter standardisierte Produkte bereitstellen. Neben den Platzeinsparungen auf der Leiterplatte sind PoL-Module heute zum gleichen Preis oder sogar günstiger zu haben als eine diskrete Lösung mit ihrer gesamten Stückliste.

Module sind einfacher und flexibler

Mithilfe von fertigen Modulen ist das Design-in einer PoL-Versorgung so einfach wie die Platzierung eines Standardbauteils auf einer Platine. Der Anwender muss nur den entsprechenden Platz und die Anschlüsse auf seiner Leiterplatte zur Verfügung stellen. Bei dem diskreten Ansatz ist das Vorgehen wesentlich komplexer, da die Platzierung der verschiedenen Komponenten eine Herausforderung in Sachen Größe und Form des verfügbaren Platzangebots auf der Platine ist. In vielen Fällen erfordert ein diskreter Ansatz auch mehr Fläche als ein Modul. Erschwerend kommt hinzu, dass sich die Leistungsanforderungen oft auch sehr spät in einer Entwicklungsphase ändern können.

Bei einem diskreten Design kann es passieren, dass das Systemboard neu entwickelt werden muss, um die höhere (oder niedrigere) Leistungsanforderung zu erfüllen. Bei einer Modullösung sind oft verschiedene Leistungsgrade im gleichen Gehäuse und mit gleicher Pinbelegung verfügbar. Systementwickler verfügen dadurch über die Flexibilität, solche Änderungen einfach durch eine andere Teilenummer in der Stückliste zu erzielen. Eine Neuentwicklung der Leiterplatte ist somit hinfällig. In sehr kompakten Schaltkreisen, in denen digitale und analoge Bauelemente eng aneinander angeordnet sind, spielen die Beeinflussung durch elektromagnetische Störungen und das Wärmemanagement eine wichtige Rolle. Bei der Implementierung einer diskreten Lösung kann dies zu einem zeitraubenden und schwierigen Problem werden. Bei einem PoL-Modul wurde bereits während des Designs, Layouts und der Konstruktion des Moduls großer Wert auf minimale Beeinflussung der benachbarten Bauteile gelegt.

Standards helfen

Im Bereich der isolierten und nicht isolierten PoL-Wandler setzt laut Marktbeobachtern die Distributed- Power Open Standards Alliance (DOSA) die vorherrschenden Standards. Gegründet von führenden Herstellern von DC/DC-Wandlern, hat diese firmenübergreifende Institution das Ziel, in einem zunehmend fragmentierten Markt für Leistungswandler Standards für eine Vielzahl von Stromversorgungen einzuführen. Diese Standards umfassen Kriterien wie Formfaktor und Stellfläche, aber auch Leistungsmerkmale und Funktionsumfang. Damit sollen die Produktentwicklung vorangetrieben und das Second-Sourcing erleichtert werden. Als Beweis dafür sei die Produktreihe »Okami« von Murata Power Solutions genannt. Zu den nützlichen Leistungsmerkmalen dieser neuen Generation DOSA-konformer, nicht isolierter PoL-Wandler zählen unter anderem der große Eingangsspannungsbereich (2,4 V bis 5,5 V sowie 4,5 V bis 14 V) und programmierbare Einzelausgangsspannungen (0,591 V bis 6,0 V), die eine Auswahl und Implementierung in eine Kundenapplikation vereinfachen sollen.

Die Wirkungsgrade befinden sich meist im Bereich um die 93%, was das thermische Derating entsprechend positiv beeinflusst; wegen der hohen Leistungsdichten können die Entwickler eine PoL-Lösung auf relativ kleiner Fläche realisieren. Ein weiterer Pluspunkt der PoLModule ist deren Verfügbarkeit als SMD-Bauteil. Damit erübrigt oder minimiert sich die Zahl der Komponenten, die auf der Leiterplatte durchkontaktiert werden müssen. Sekundäre Montageprozesse verringern sich dadurch ebenfalls. Neben dem SMD-Format sind Stromversorgungen aber auch im herkömmlichen Single-Inline- Gehäuse (SIP) erhältlich. Als Weiterentwicklung des SMDFormats bieten verschiedene neue Okami-Wandler ein inspizierbares Land-Grid-Array-Gehäuse (iLGA, Bild 1). Das herkömmliche LGA-Interconnect-Gehäuse bietet Platzeinsparungen und einen hervorragenden Wärmeleitpfad vom PoL-Modul zu den großen, wärmeableitenden Kupferflächen der Trägerplatine. Allerdings verhindert es eine einfache visuelle Inspektion der Lötverbindungen zwischen Modul und Leiterplatte. Noch bis vor kurzem war deshalb eine teure Inspektion mittels Röntgenstrahlen oder ein destruktiver Querschnitt erforderlich, um die Lötstellen Inspizieren zu können. Bei dem iLGA sind kleine plattierte Ausschnitte (Nuten/ Stege) eingearbeitet, die eine einfache visuelle Inspektion und einen einfachen Zugang für Test- Probes zu allen Anschlussflächen ermöglichen.