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Spannungswandlung

Gibt es eine »Commoditisierung« in diesem Bereich?

6. September 2021, 10:19 Uhr | Von Frederik Dostal

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Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit

Ein zweiter Bereich, in dem wichtige Innovationen stattfinden, ist die elektromagnetische Verträglichkeit. Sie ist wichtig, um für die elektrischen Schaltungen überhaupt eine Zulassung zu erhalten. Schaltregler verursachen aufgrund der gepulsten Ströme immer elektromagnetische Abstrahlung, die von der Schaltfrequenz und der Geschwindigkeit der Schaltübergänge abhängt. Abgestrahlte sowie leitungsgebundene Störungen der eingesetzten Stromversorgungen können Funktionsprobleme in anderen Schaltungsteilen der Elektronik auslösen, weshalb die erzeugten Störungen unbedingt verringert werden müssen.

In diesem Bereich zielen Innovationen besonders darauf, den Filteraufwand zu reduzieren, denn ein Schaltregler mit geringeren Störungen verursacht weniger Kosten an zusätzlichen Filter- und Schirmungskomponenten.

Eine wichtige Innovation der letzten Jahre ist das Silent-Switcher-Konzept von Analog Devices. Dieses schafft durch verschiedene Tricks, wie die Symmetrierung der gepulsten Ströme oder das Entfernen von Bonding-Drähten, eine signifikante Reduktion der abgestrahlten Störungen. Die Innovation eignet sich für unterschiedliche Schaltregler-Topologien. Bild 2 zeigt die gepulsten Ströme und die daraus entstehenden magnetischen Felder in einer Abwärtswandler (Buck)-Topologie. Diese Felder sind in zwei Teile geteilt und durch die symmetrische Anordnung wird bewirkt, dass sie sich in entgegengesetzter Richtung befinden und sich zum großen Teil gegenseitig aufheben.

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Simulation von EMV

Das Messen der EMV in einem zertifizierten Prüflabor ist teuer. Das Verändern einer bereits entwickelten Hardware ebenfalls. Eine wichtige Stütze beim Entwurf einer Spannungswandlerschaltung ist somit das Optimieren der EMV durch entsprechende Werkzeuge wie LTpowerCAD von Analog Devices. Es steckt ein großes Potential in der Nutzung von Simulationswerkzeugen, die das Optimieren der EMV bereits während des Entwicklungsprozesses, ermöglicht. Mit diesem Tool lassen sich die leitungsgebundenen Störungen eines Schaltreglers berechnen und bei zu hohen Störungen lassen sich Filter entwerfen, die Abhilfe schaffen.

Hohe Schaltfrequenzen und schnelle Regelschleifen

Ein weiterer Trend bei Spannungsversorgungen geht hin zu sehr hohen Schaltfrequenzen. Diese ermöglichen kostengünstige und platzsparende Schaltungen. Die Induktivitätswerte und Kapazitätswerte werden kleiner, was zu kostengünstigeren Spulen und Kondensatoren führt, bei gleicher Spannungswelligkeit am Ausgang der Spannungsversorgung. Ein LTC3311 ist ein Beispiel für einen solchen modernen Schaltregler-IC. Es ist ein abwärtswandelnder Schaltregler aus der Silent-Switcher-Familie von Analog Devices. Neben den eben erwähnten Vorteilen der hohen Schaltfrequenzen, welche in der LTC33xx Familie von Schaltreglern bis 10 MHz reichen können, erhält der Entwickler auch die Möglichkeit, sehr schnelle Regelschleifen zu implementieren.

Eine schnelle Regelschleife führt dazu, dass eine Ausgangsspannung auch bei dynamischen Lastveränderungen nur wenig Spannungsabweichungen zeigt. Besonders FPGAs verlangen, dass die Versorgungsspannungen einen schmalen Regelbereich auch bei hohen Lasttransienten nicht überschreiten. Eine mögliche Lösung ist das Hinzufügen von vielen hochwertigen Ausgangskondensatoren oder aber – eleganter und kostengünstiger – das Nutzen von Schaltregler-ICs mit hohen Schaltfrequenzen und dadurch mit hohen Regelbandbreiten.

Hier finanziert sich die Innovation der Schaltregler-ICs durch die Einsparung an Kosten für Kondensatoren.

Höhere Integration und einfache Anwendung

Hohes Innovationspotenzial besteht außerdem bei der Integration kompletter Spannungsversorgungsschaltungen. Einen ersten Schritt bietet die Integration von mehreren Schaltreglern in ein IC-Gehäuse. Diese Produkte werden oft als PMIC (Power Management Integrated Circuit) bezeichnet. Sie sparen Platz auf der Platine und sind als Power Management ASIC bei hohen Stückzahlen oder auch als universelle PMIC Lösungen für übliche Anwendungen als Katalogprodukt erhältlich. Ein beliebter Baustein zur Spannungsversorgung von beispielsweise FPGAs ist der ADP5014. Bild 3 zeigt eine Schaltung mit einem solchen PMIC-Baustein wie er ein FPGA mit Spannung versorgt.

Neben einer hohen Integration bieten Module, also komplette Schaltregler in einem Gehäuse, außerdem eine sehr einfache Anwendung. Typischerweise sind nur die Eingangs- sowie Ausgangskondensatoren extern, die komplette restliche Schaltung inklusive der Induktivität ist integriert. Somit entfällt für den Anwender das Selektieren der externen passiven Komponenten. Das Modul kann einfach auf die Hauptplatine aufgelötet werden und die gewünschten Spannungen werden zuverlässig erzeugt. Dank der µModule-Familie von Analog Devices steht für fast jede Anwendung ein passendes Modul zur Verfügung. Momentan sind etwa 200 verschiedene Power-Module erhältlich.

Die bereits optimierten µModule eignen sich besonders für komplexe Anwendungen. Beispielsweise kann ein LTM4700 Buck-Schaltregler bis zu 100 A Ausgangsstrom liefern. Die Wärmeabfuhr ist über ein spezielles Gehäuse so optimiert, dass auch bei diesen hohen Strömen ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist. Viele µModule sind so ausgelegt, dass die verbaute Induktivität als Teil des Gehäuses die Wärme in die Umgebungsluft wie bei einem Kühlkörper abgibt und somit die Platine nur wenig zusätzliche Wärme von der Spannungsversorgung kommend aufnehmen muss. Das erleichtert den Entwurf von Hochleistungsspannungsversorgungen ungemein.

Die Anforderungen an Spannungsversorgungen ändern sich ständig und passen sich den Entwicklungen von elektrischen Verbrauchern wie A/D-Wandlern, analogen Front-Ends, Mikrocontrollern und FPGAs an. Benötigte Spannungen werden niedriger sein, benötigte Ströme werden höher liegen. Somit sind Standardschaltregler nicht in der Lage, die zukünftigen Anforderungen zu erfüllen. Die logische Folge davon: eine »Commodisierung« wird es auch in Zukunft nicht geben.

Autor:

Frederic Dostal ist SME Team Leader bei Analog Devices