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Point-of-Load-Wandler

Jenseits aller Marketing-Versprechen

27. Oktober 2016, 9:23 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Analoge vs. digitale Regelung

Analoge Regelung

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Eine analoge Regelung erfasst und filtert die Ausgangsspannung des PoL-Moduls und vergleicht diese mit einer Referenzspannung, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Dieses Fehlersignal wiederum wird zur Regelung des Ausgangs verwendet und korrigiert alle auftretenden Abweichungen (Bild 3a).

Der Vorteil der analogen Regelung ist, dass diese seit langem zum Einsatz kommt und sich mit Standardkomponenten verwirklichen lässt. Der Nachteil ist: Es kann ausgesprochen schwierig sein, den Regelkreis so einzustellen, dass der Wandler über alle Betriebsbedingungen hinweg stabil ist. Dabei muss auch eine große Bandbreite für ein schnelles Transientenverhalten beibehalten werden. Dies erfordert viele Stunden Arbeit im Labor, inklusive Löten, Testen, erneutem Löten und erneutem Testen etc. Analoge Regelung ist auch anfällig für externe Störungen, die versehentlich auf den Ausgang einkoppeln.

Digitale Regelung

Ähnlich wie bei der analogen Kompensation erfasst auch die digitale Regelung die Ausgangsspannung, filtert und vergleicht sie mit einer Referenz. Anschließend wird ein Fehlersignal erzeugt und der Ausgang so geregelt, dass jegliche Abweichungen korrigiert werden (Bild 3b). Der Unterschied ist, dass all dies im Digitalbereich stattfindet. Die Erfassung des Ausgangs erfolgt über einen A/D-Wandler. Das anschließende Vergleichen, die Fehlererzeugung und die Regelung erfolgen digital. Dadurch ist diese Art der Regelung wesentlich weniger anfällig für Einkopplungen als die analoge. Zudem erübrigt die digitale Regelung stundenlanges Löten im Labor, um unterschiedlich Bauteile für die Anpassung der Rückkopplungsschleife zu testen. Stattdessen werden nur einige wenige digitale Parameter innerhalb des ICs geändert, um das Verhalten des PoL-Moduls an die jeweilige Anwendung anzupassen.

Die neuesten Digitalmodule für Point-of-Load-Wandler gehen sogar noch einen Schritt weiter und ermöglichen kompensationsfreie Schaltungsentwürfe. Der PoL-Wandler misst dabei die Regelschleife aus, bestimmt die Regelungskoeffizienten und programmiert diese selber. Dadurch sind stets eine optimale Regelung und eine stabile Ausgangsspannung gewährleistet.

Einschränkung durch Derating

Eine große Einschränkung beim Betrieb von PoL-Modulen stellt die Wärmeentwicklung und deren Ableitung dar. Ein ineffizientes Moduldesign kann zu unerwünschter Wärmeentwicklung im Inneren führen, bei der sich wichtige Bauteile (z. B. FETs, Induktivitäten, Kondensatoren etc.) ihrer maximalen Betriebstemperatur nähern. Doch der Betrieb am oder über dem thermischen Limit dieser Bauteile kann die Zuverlässigkeit beeinträchtigen und zu Ausfällen führen.

Um diese schädlichen Auswirkungen in Grenzen zu halten, empfehlen PoL-Anbieter einen Mindestluftstrom, um die Wärme vom Modul weg zu transportieren. Dies verhindert, dass sich Wärme im Modulinneren und an den Bauteilen aufstaut, was die Temperaturen über die jeweiligen Grenzwerte anhebt. Ein solcher Luftstrom kann den Laststrom und den Betriebstemperaturbereich des Systems erhöhen. Bild 4 zeigt die Derating-Kurven eines PoL-Moduls für verschiedene Luftströme: von natürlicher Konvektion (kein Luftstrom) bis zu einer Zwangslüftung mit 3 m/s. Bei natürlicher Konvektion kann das Modul bis zu einer Betriebstemperatur von +60 °C einen Laststrom von 43 A bereitstellen. Mit einem Luftstrom von nur 2 m/s erhöhen sich die Stromtragfähigkeit auf 50 A bei +60 °C bzw. die maximale Betriebstemperatur auf +64 °C für 43 A.

Eine forcierte Luftkühlung hat aber auch ihre Nachteile: Sie erfordert Strom, was die Effizienzgewinne wieder zunichte zu machen droht, und sie kann inakzeptablen Lärm verursachen. Entwickler müssen bei der Wahl eines PoL-Moduls daher die thermischen Anforderungen des Moduls und die Kühlfunktionen des Systems sorgfältig abwägen.

Jede Anwendung ist anders und hat unterschiedliche Performancekennzahlen. Bei einigen Anwendungen kann schnelles Transientenverhalten entscheidend sein. Bei anderen kommt es mehr auf kleine Baugröße, hohen Wirkungsgrad oder einen weiten Betriebstemperaturbereich an. Kein PoL-Modul kann alle diese Anforderungen für jede Anwendung erfüllen – ganz gleich, was das Marketing verspricht. Entscheidend ist, die Anforderungen der Anwendung unter ihren spezifischen Betriebsbedingungen zu kennen. Nur dann lässt sich ein Vergleich anstellen und das optimale PoL-Modul für ein Design auswählen.