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Konzipieren von Stromversorgungen

Leistung auf den Punkt Bereitstellen

26. Januar 2021, 07:00 Uhr   |  Mark Patrick, Redaktion: Ute Häußler

Leistung auf den Punkt Bereitstellen
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Power-Entwickler müssen sich auf schnell wechselnde Lasten einstellen, transientenfreie Versorgungsschienen mit geringer Toleranz bereitstellen und Leistung in immer kleineren Gehäusen unterbringen. Doch wie?

  • Gefragt sind Bausteine, die bei den größten Herausforderungen wie der Verringerung des Wandler-Rauschens, einem effizienten Produktions- und Zertifizierungs­prozess sowie der Verkleinerung des Footprints der Leiterplatte helfen.

Das Spektrum von Stromversorgungsentwicklern  unterliegt einem ständigen Wandel. Die Anforderungen an die Stromversorgung sind heute weitaus vielfältiger, nicht nur in Bezug auf das breite Sortiment an verfügbaren Stromquellen (Solar, Energy-Harvesting-Technologien, Batterie, Power over Ethernet (PoE), Induktion, Netzbetrieb), sondern auch in Hinblick auf die Spezifikationen für jede einzelne Stromschiene. Durch immer komplexere Halbleiterinnovationen ist ein ebenso vielschich­tiger Bedarf an verschiedenen Stromquellen entstanden, von energiesparenden drahtlosen Ultra-Low-Power-SoC-Bausteinen bis hin zu sequenziellen Hochstrom-Versorgungsschienen für rechenintensive FPGAs und Inferenzprozessoren.

Transienten und EMS

Transienten können auf einer Stromschiene auf verschiedene Weisen entstehen. Hohe dv/dt-Schaltpegel, wie etwa in industriellen Antrieben, sind eine häufige Ursache für starke Transienten. Wenn solche Transienten nicht durch Filter passiver Komponenten unterdrückt werden, können sie dauerhafte Schäden an Schalttransistoren und den zugehörigen Treibern und Schaltungen verursachen. Viele Stromversorgungen verwenden eine Schaltungstopologie wie Abwärtswandler, Aufwärtswandler oder Abwärts- und Aufwärtswandler, um die Eingangsspannung in die erforderlichen Ausgangsspannungen umzuwandeln. Diese Art der Leistungsumwandlung ist zwar effizient und bewährt, der Schaltvorgang selbst kann jedoch elektromagnetische Störungen (EMI) erzeugen, die auf die Stromschienen induziert und dann wieder abgestrahlt werden. Konventionelle Filtertechniken bewältigen die Schalttran­sienten auf den Stromschienen, jedoch können solche Transienten den Betrieb einer Schaltung in empfindlichen Anwendungen immer noch stören. Das abgestrahlte Rauschen macht das Schaltungsdesign also komplexer und verursacht potenziell höhere Kosten. So kann beispielsweise eine Metall- oder Folienabschirmung um den Wandler erforderlich sein, was zusätzliche Produktionsschritte und Bauteilkosten mit sich bringt. Viele Schaltregler-ICs haben eine feste Schaltfrequenz am oberen Ende des Mittelwelle-Funkbandes zwischen 1,5 bis 1,8 MHz, was in einigen Anwendungsfällen problematisch sein kann, wie z.B. bei Autoradios. Es ist daher wichtig, eine Geräteschaltfrequenz zu wählen, die wahrscheinlich weniger Probleme verursachen wird.

Ein Beispiel hierfür ist der nach AEC-Q100 für den Automotive-Bereich zertifizierte Abwärtswandler TPS6281x-Q1 von Texas Instruments (TI). Er hat eine Standardschaltfrequenz von 2,25 MHz, die durch den Einsatz eines Widerstandes im Bereich von 1,8 bis 4,0 MHz eingestellt werden kann. Die Schaltfrequenz lässt sich auch von einem externen Taktgeber ableiten und das Bauelement kann optional mit einem Spread-Spectrum-Verfahren betrieben werden, bei dem die Wandlerfrequenz zufällig bis zu 288 kHz über der Nennschaltfrequenz variiert wird.

Trotz modernster Filtertechniken kann die geringste Störung durch den Schaltwandler empfindliche Messungen beeinträchtigen, z.B. bei der medizinischen Überwachung der Vitalparameter eines Patienten oder vergleichbaren Tests. Der Texas Instruments TPS62840 ist ein Abwärtswandler mit einem Spannungsbereich von 1,8 bis 6,5 V und 750 mA und er ist ein hervorragendes Beispiel für ein Bauelement, das für solche Anwendungen geeignet ist. Dieses Bauelement zeichnet sich durch einen extrem niedrigen Ruhestrom von lediglich 60 nA aus und kann den Wandler kurzzeitig anhalten, um durch die Verwendung eines STOP-Pins jegliches Schaltgeräusch zu eliminieren. Ein Überbrückungskondensator am Ausgang des Wandlers versorgt die Anwendung, damit diese weiterhin rauschfrei arbeiten kann (Bild 1). Die STOP-Funktion kann nicht nur zur Durchführung empfind­licher Messungen eingesetzt werden, sondern verbessert auch das Signal/Rausch-Verhältnis in Fällen, in denen nur schwache Bedingungen für eine drahtlose Verbindung vorliegen.

Mouser Power Leistungsmanagement
© Mouser / TI

Bild 1. Wirkung der STOP-Funktion des Abwärtswandlers TPS62840 von TI.

Minimierung des Designs

Der für die Unterbringung elektronischer Systeme zur Ver­fügung stehende Raum wird immer kleiner, dies gilt sowohl für die industrielle Automatisierung wie auch für die moderne Unterhaltungselektronik. Platz in der Fertigungshalle wird knapp, häufig muss die gesamte Steuerung einer Produk­tionsanlage in einem einzigen Schaltschrank untergebracht werden. Hier kommt für Power-Entwickler und Entwicklungsingenieure die Bereitstellung der Stromversorgung mithilfe eines modulbasierten Ansatzes ins Spiel. In der Elektro­nikindustrie sind Entscheidungen zwischen diskreter und modularer Bauweise keine Seltenheit, das Leistungsmanagement bildet hier keine Ausnahme. Neben einem höheren Grad an funktionaler Integration bringen Module auch Zeitersparnis bei der Markteinführung und eliminieren Probleme, die sich aus personellem Mangel an immer stärker spezialisierten Stromversorgungsdesignern innerhalb der Ingenieurteams ergeben.

DC/DC-Wandler sind beispielsweise seit Langem als kompakte Bauelemente erhältlich und bieten einen dem Industriestandard entsprechenden Footprint. Die Entwickler von Leistungsmodulen sind inzwischen in der Lage, nicht nur den Schaltregler-IC, sondern auch eine Reihe der zugehörigen Komponenten in ein kompaktes Modul zu integrieren, das in Bezug auf die Komponentenstückliste und die Wärmeleitfähigkeit optimiert ist. Texas Instruments hat dieses Konzept noch einen Schritt weitergeführt und ein Modul entworfen, das eines der größeren Bauteile in den Design-Footprint integriert, die Induktivität. Das Modul TPSM82822 hat eine Größe von nur 2,0 x 2,5 x 1,1 mm und ist in ein 10-Pin-MicroSIP-Gehäuseformat nach Industriestandard integriert. Diese synchronen PWM-Mode-Abwärtswandler sind in 1-A- und 2-A-Versionen erhältlich und verfügen über einen Stromsparmodus zur Verbesserung der Effizienz bei geringer Last mit einem typischen Ruhestrom von nur 4 µA. Das Modul bietet eine Eingangsspannung von 2,4 bis 5,5 V (DC) und eine einstellbare Ausgangsspannung im Bereich von 0,6 bis 4 V (DC). Der Wirkungsgrad beträgt bis zu 95 Prozent. Für das Prototyping von TPSM82822-basierten Designs wird mit dem TPSM82822EVM ein in Bild 2 dargestelltes Evaluierungsboard angeboten.

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Bild 2. Das Evaluierungs­board TPSM82822EVM von TI für das Abwärtswandlermodul TPSM82822 mit inte­grierter Induktivität.

Produktionstests und QM-Prüfungen

Viele konventionelle Schaltkonverter-ICs sind in einem QFN-Gehäuse nach Industriestandard gefertigt. Dies ist ein seit Langem eingesetztes praktisches Format, eignet sich aber nicht für die von der Automobilindustrie geforderten Sichtprüfungen während der Montage (Bild 3).

In den Abbildungen – links, oben und unten – ist zu erkennen, dass die Lötstelle bei einem Standard-QFN-Gehäuse unter dem Bauelement, wo es auf der Leiterplatte sitzt, in der Regel nicht sichtbar ist. Von der Seite ist nur eine kleine Menge Lötzinn direkt sichtbar. Für die Sichtprüfung ist dies eine Herausforderung: Ist das Bauteil vollständig unten angelötet, oder sind kalte Lötstellen vorhanden? Um diese Unsicherheit
zu vermeiden, hat Texas Instruments ein verbessertes QFN-Gehäuse entwickelt, das eine beschichtete Vertiefung enthält, die aus den Gehäuseseiten herausgeformt ist. Dadurch vergrößert sich der Bereich der Verbindung, der einer Sichtprüfung unterzogen werden kann. Diese „benetzbaren Flanken“ – siehe Bild 3, rechts – sorgen für eine größere, für Sichtprüfungen besser einsehbare Lötstelle und beseitigen jeden Zweifel, ob das Bauelement sorgfältig und zuverlässig mit der Leiterplatte verbunden ist.

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Bild 3. Benetzbare Flanken am Automotive-zertifizierten Abwärtswandler TPS62810 von TI.

Eigensicherheits-Zertifizierung

Durch die Einführung industrieller IoT-Anwendungen und andere Initiativen zur Fertigungsautomatisierung kommen elektronische Systeme dort noch stärker als bisher zum Einsatz. Geräte und Stromversorgungen müssen aufgrund der rauen Umgebungen, mit möglicherweise gefährlichen oder explosiven Flüssigkeiten oder Gasen, den Normen für die Eigensicherheit entsprechen. Für die Entwickler von Stromversorgungslösungen stellt dies eine technische Herausforderung dar, da bei der Leistungsumwandlung in der Regel eine gewisse Wärme­entwicklung auftritt und – je nach Anwendung – Spannungen entstehen, durch die sich zwischen den Komponenten einen Lichtbogen bilden kann, oder durch die fehlerhafte Bauteile explodieren können.

Die ATEX-Richtlinie dient der Minimierung oder Beseitigung der
Entzündungsgefahr in einer gefährlichen Umgebung. Die Gefährdung durch bestimmte Gase, Dämpfe oder Nebel wird in drei verschiedene Gefahrenbereiche eingeteilt, und im Zusammenhang mit Stromversorgungs-ICs werden als wahrscheinliche Zündquellen elektrische Funken und hohe Oberflächentemperaturen angesehen. Bei einem intelligenten Gaszähler zum Beispiel beträgt die maximal zulässige Temperatur je nach Gehäusegröße 244 °C oder 275 °C. Die Entwicklung eines Wandler-ICs, der einen großen Pitch-Abstand hat und bedrahtet ist, trägt dazu bei, die elektrische Beanspruchung und die Wahrscheinlichkeit von Funkenbildung auch in feuchten Umgebungen zu reduzieren. Eine weitere Anforderung ist ein Gehäuseformat, welches die Wärme so effektiv ableitet, dass die maximal zulässige Temperatur nicht überschritten wird. Der TPS62840 von Texas Instruments ist in einem thermisch optimierten HVSSOP-8-Gehäuse mit den Abmessungen 3 x 5 mm2 erhältlich. Dabei wird eine Kupferplatte verwendet, die mit dem IC-Substrat verbunden ist und in der Lage ist, die gesamte Wärme vom IC-Gehäuse abzuleiten.

Störungsfreie Power

Die Stromversorgung ist das Herzstück jedes Designs, das Leistungsmanagement verändert sich dabei stetig. Immer wichtiger ist es, die Leistung so bereitzustellen, dass die Anwendung nicht beeinträchtigt wird. Moderne und auf Embedded Systems optimierte Power-Bausteine können das Wandlerrauschen verringern, den Produktions- und Zertifizierungsprozess effizient unterstützen sowie die Miniaturisierung des Footprints weiter begleiten.

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Mark Patrick hat seinen Ablschuss in Elektrotechnik an der Coventry University mit Auszeichnung absolviert. Er durchlief mehrere technische Positionen im Support und Vertrieb, etwa bei Texas Instruments, und ist heute Technischer Marketing Manager bei Mouser.

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