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Hoch integrierte DC/DC-Wandler-ICs

Integration in fünf Schritten

16. Mai 2017, 10:29 Uhr | Von Frederik Dostal

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Integration mehrerer Spannungswandler

Der nächste Schritt zu höherer Integration ist die Kombination von mehreren Spannungswandlern in einem IC. Bild 4 zeigt ein Beispiel mit zwei Schaltreglern und zwei Linearreglern in einem Gehäuse. Als Bezeichnung für diese Produktgruppe hat sich PMIC, also »Power Management Integrated Circuit« etabliert. Eine solche Integration bietet neben dem geringeren Platzbedarf auf der Platine und den üblicherweise niedrigeren Kosten noch weitere technische Vorteile.

Besonders Step-Down-Schaltregler erzeugen auf der Eingangsseite pulsierte Ströme. Die Anstiegs- und Abfalldauer dieser Ströme beträgt nur wenige Nanosekunden. Somit führen Step-Down-Schaltregler eingangsseitig hohe Störungen. Diese werden mithilfe eines Eingangskondensators, auch Bypass-Kondensator genannt, reduziert. Sind in einem System mehrere Schaltregler vorhanden, kann man diese so ansteuern, dass sie nicht zur exakt selben Zeit anfangen, Ströme von der Energiequelle zu ziehen. Somit werden eingangsseitig Spitzenströme reduziert, die Eingangskondensatoren werden entlastet und es werden nur geringe Störungen erzeugt. Diese zeitversetzte Ansteuerung wird Phasenversatz genannt.

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Nebenbei ist es auch vorteilhaft, die Schaltfrequenzen der einzelnen Schaltregler in der Frequenz zu synchronisieren. Somit wird das Phänomen der Beat-Frequenzen verhindert. Beat-Frequenzen entstehen wenn zwei Schaltregler bei unterschiedlicher Frequenz betrieben werden. Der Frequenzunterschied wird im Frequenzband als zusätzliche »Beat-Frequenz« gefunden. Besonders wenn mehrere Schaltregler bei einer ähnlichen Frequenz betrieben werden, treten die Beat-Frequenzen bei sehr niedrigen Werten auf, sodass diese Störungen im hörbaren Bereich zu finden sind. Eine Stromversorgung kann also unangenehm brummen.

Eine Integration von mehreren Schaltreglern in einen IC erleichtert das Synchronisieren und Phasenversetzen von verschiedenen Schaltreglern. Es werden keine zusätzlichen Pins (Anschlüsse) und keine zusätzliche Beschaltung benötigt.
Die größte Herausforderung einer Integration von mehreren Schaltreglern und auch Linearreglern in einem IC ist die Notwendigkeit, die Wandlungsverluste, die den IC aufwärmen, abzuführen. Es sind also Gehäuse mit niedrigem Wärmewiderstand zu verwenden. Selbst bei diesen ist es manchmal notwendig, die durchschnittliche Leistung zu reduzieren. Auch ist ein hoch effizienter Betrieb der Schaltregler notwendig.

In der Elektronikindustrie waren die ersten wichtigen Anwendungen von solchen hoch integrierten Spannungswandler-ICs (PMICs) mit mehreren Ausgangsspannungen ASICs für Mobiltelefone.