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Power-Module

Hinsichtlich der Einfachheit nicht zu toppen

8. Juni 2015, 11:57 Uhr | Iris Stroh

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42 Volt

Für 42-V-Spannungen kann der Entwickler bei Maxim z.B. auf den MAXM17544 zurückgreifen. Das Modul mit Controller, MOSFETs, Induktivität (geschirmt) und Komponensationskomponenten hat einen Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 42 V und liefert einen kontinuierlichen Ausgangsstrom von bis zu 3,5 A über 0,9 bis 12 V. Das Modul kann in PWM-, PFM oder DCM-Modus betrieben werden und sitzt in einem nur 9 x 15 x 2,8 mm³ großen SiP-Gehäuse.

Bei Intersil können die Entwickler für 42 V auf den ISL8216M zurückgreifen. Das vollständig integrierte, einkanalige DC/DC-Abwärtswandler-Modul mit einem Eingangsspannungsbereich von 10 bis 80 V stellt einen kontinuierlichen Ausgangsstrom von bis zu 4 A bereit. Laut Eric Pittana, Product Marketing Manager für analoge und digitale Power-Module-Produkte bei Intersil, verträgt das Modul Transienten bis 100 V. Aus seiner Sicht zeichnet sich der ISL8216M durch hohe Robustheit, kleine Größe und einen großen Betriebsspannungsbereich aus. Damit eignet er sich z.B. gut für den 12/18-V-Aftermarket im Automotive-Bereich, denn dort können hohe Transienten auftreten. Der ISL8216M ist mit diversen Komponenten ausgestattet, einschließlich Spule und FETs, so dass nur wenige externe Kondensatoren und Widerstände notwendig sind. Pittana: »Nachdem die Produkte einen großen Eingangsspannungsbereich unterstützen, kann der ISL8216M in den meisten Fällen ohne externe Schutzschaltungen implementiert werden. Dadurch verringert sich die Größe der Gesamtlösung noch einmal, und die Systemkosten sinken.«

Intersil entwickelt derzeit dedizierte und optimierte Lösungen für den industriellen und Kommunikationsbereich. Dazu gehört eine Modul-Familie mit Abwärtswandler für höhere Spannungen von 30 bis 100 V. Gleichzeitig arbeitet Intersil aber auch an Power-Modulen für niedrigere Eingangsspannungen (3,3 und 5 V) und mittlere Spannungen (12 V).

Auch von Linear Technology gibt es eine Familie von µModule-Power-Produkten für einen Eingangsspannungsbereich von 42 V und höher (bis zu 60 V: LTM8027). Bei der vor kurzem vorgestellten LTM8056-Familie handelt es sich um vollständig integrierte Buck-Boost-Wandler, die für Eingangsspannungen bis 58 V geeignet sind. Afshin Odabaee, Business Manager für die µModule Power Products bei Linear Technology, erklärt: »Der Vorteil einer Eingangsspannung von 42 V und höher besteht darin, dass ein µModule mit einer einzigen Eingangsspannung betrieben werden kann und die Module große Spannungsschwankungen wie Transienten oder eine schlecht geregelte Eingangsspannungen vertragen können.« Auch er verweist auf die Einfachheit der Power-Module. Natürlich ließe sich auch eine diskrete Lösung realisieren, die das gleiche kann wie eine Power-Modul, aber »dann muss der Entwickler deutlich mehr Aufmerksamkeit auf das Layout, die Auswahl der Komponenten und den Schutz der ICs aufwenden.« µModule wie der LTM8056 oder der LTM8027 hingegen seien viel einfacher einzusetzen: Das Layout ist bereits fertig, alle Schutzschaltungen sind implementiert, und das µModule ist zu 100 Prozent getestet.

Das Unternehmen will in Zukunft µModule mit höheren Eingangsspannungen auf den Markt bringen. »Außerdem versuchen wir, die Leistung zu erhöhen. Dazu sind noch Innovationen auf der Packaging- und Komponenten-Seite notwendig sowie bei den eigenen ICs von Linear, die einen höheren Wirkungsgrad, geringeres Rauschen und eine genauere Spannungsregelung erlauben«, erklärt Odabaee abschließend.

Texas Instruments bietet für eine 42-V-Spannung zwei Power-Modul-Serien an: SIMPLE SWITCHER LMZ35003 und die SIMPLE SWITCHER LMZ1420x/LMZ-1420xH-Familie. Laut Jim Broiles, Marketing Director für die SIMPLE SWITCHER Produkte bei Texas Instruments, ist die LMZ35003-Familie mit geschirmten Induktivitäten ausgestattet, und »sie sind die einzigen 50-V-Module, die die Vorgaben für die Strahlungsemissionen nach EN55022 Class B erfüllen.« Außerdem sind sie in nur 9 x 11 x 2,8 mm³ QFN-Gehäusen untergebracht und damit »um bis zu 12 Prozent kleiner als Lösungen von führenden Wettbewerbern.« Für die Entwicklung mit den LMZ35003-Modulen stehen die WEBENCH Suite zur Verfügung, einschließlich Tools für die BOM-Auswahl, elektrische und thermische Simulation, Schaltungs-Editor, Exportfunktion für den Schaltplan und Layout. Als Vorteile gegenüber der Konkurrenz verweist Broiles beispielsweise auf das Gehäuse. So böte das BQFN-Gehäuse mit Metall-Leadframe im Vergleich zu LGA oder BGA-Gehäusen eine höhere thermische Performance, was in industriellen Applikationen kritisch ist. Außerdem ermöglichen die Gehäuse Zugang zu den Pins an der Außenseite, ein einfaches Routing von Signal/Power/Durchkontaktierung, eine Prüfung der Lötstellen und »einen JA-Wärmewiderstand, der seinesgleichen in der Industrie sucht«, so Broiles weiter. Laut seiner Aussage zeichnen sich die Power-Module darüber hinaus auch durch eine sehr gute EMV-Verträglichkeit, durch ein hohe Leistungsdichte, geringes Rauschen und niedrige elektromagnetische Emissionen (EMI) aus. Die LMZ35005-Power-Module eignen sich für industrielle Anwendungen, bei denen aus einer 24-V-Zwischenbus- oder höheren Eingangsspannungen 3,3 V, 5 V oder 12 V erzeugt werden müssen. Der LMZ35005 bietet Schutz für Transienten bis 65 V. Dank des kleinen und niedrigen QFN-Gehäuse eignen sich die Power-Module auch für Applikationen, in denen Platz Mangelware ist. Broiles fasst zusammen: »Im Vergleich zu konkurrierenden Lösungen zeichnet sich der LMZ35003 durch die beste thermische Leistungsfähigkeit, durch die beste EMV-Verträglichkeit und durch die kleinste Größe aus.« Der LMZ35003 sitzt in einem BQFN-Gehäuse mit Metall-Lead-Frame, das sich im Vergleich zu den LGA- oder BGA-Gehäusen der Konkurrenz durch einen um 41 Prozent niedrigeren Wärmewiderstand (Chip zur Umgebung) auszeichnet. Damit ist eine Nutzung der Power-Module bei höheren Umgebungstemperaturen möglich, außerdem sind höhere Gesamtausgangsleistungen realisierbar, ohne Einbußen auf der Ausgangsseite in Kauf nehmen zu müssen. Die LMZ1420x/LMZ1420xH-Familie stellt die Familie mit 42-V-Modulen dar, die laut Broiles am einfachsten einzusetzen ist. Auch diese Module sind mit abgeschirmten Induktivitäten ausgestattet und erlauben ein einfaches Leiterplatten-Layout. Die Module sind mit einem einzelnen Exposed-Pad (Kupfer) versehen, so dass die Module ein sehr gutes thermisches Verhalten bieten. Ansonsten gelten für die Module die gleichen Vorteile wie für die LMZ35003-Module, einschließlich geringe EMI (EN55022 Class B konform), hohem Wirkungsgrad und damit reduzierte Wärmeerzeugung im System, keine Kompensation erforderlich und geringer Wärmewiderstand des Gehäuses. Die komplette Serie umfasst sechs Pin-kompatible Produkte für Designs, die einen Bereich von 1 bis 3 A und Ausgangsspannungen von 0,8 bis 24 V abdecken.