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DC/DC-Wandler im Mikromodul-Format

Klein, aber definitiv »oho«

4. September 2022, 19:12 Uhr | Von Timur Uludag

Bei begrenztem Einbauraum punkten miniaturisierte DC/DC-Wandler mit einem hervorragenden thermischen Verhalten. Denn sie adressieren all die Herausforderungen, die bei Stromversorgungen von Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen auftreten.

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Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen, wie beispielsweise tragbare Industriegeräte, erfordern speziell entwickelte DC/DC-Wandler mit einer Reihe von Eigenschaften.

In Tabelle 1 sind die wichtigsten Hindernisse aufgeführt, die bei der Implementierung eines DC/DC-Wandlers bei begrenztem Platzangebot zu berücksichtigen sind, und wie diese durch den Einsatz von kompakten Power-Modulen bewältigt werden können.

Herausforderung	Lösung
Begrenzter Platinenplatz und hoher Strombedarf	Sehr kleine Bauformen und hohe Leistungsdichten
Begrenzte Batterielebensdauer	Ultraniedriger Ruhestrom und hoher Wirkungsgrad
Temperaturempfindlichkeit	Hoher Wirkungsgrad
Zuverlässig lange Lebensdauer	Ausgereifte und bewährte Technologie (synchroner Abwärtswandler mit zuverlässigen, nach höchsten Standard qualifizierten Gehäusekonzepten)
Extrem niedrige EMV-Störabstrahlung	Integrierte, geschirmte Induktivität; optimiertes Substrat-Layout, kurze Stromschleifen
Unerwartet dynamische Last- und Eingangsspannungswechsel	Einige Ausgangsspannungstoleranz und geringer Ripple, schnelles Einschwingverhalten

Der nächste Schritt besteht darin, die Grundlagen des Schaltverhaltens eines DC/DC-Leistungsmoduls zu bewerten, das eine Lösung für die meisten der genannten Herausforderungen bietet.

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Warum verschiedene Schaltverhalten?

Batteriebetriebene Anwendungen wie tragbare Geräte arbeiten nicht immer unter Volllastbedingungen. Eine Messanwendung weist beispielsweise während der Messung einen höheren und zwischen den Messungen einen niedrigeren Strombedarf auf.

Zwei unterschiedliche Belastungszustände sind sehr häufig:

Leichte Last – die Anwendung arbeitet im Leerlauf- oder Standby-Modus, was zu einem geringeren Energieverbrauch führt
Schwere Last – die Anwendung arbeitet unter Nennbedingungen, was zumNenn-Energieverbrauch führt

Daher muss das Energiemanagementsystem flexibel genug sein, um in jeder Lastsituation die beste Leistung und den höchsten Wirkungsgrad zu bieten.

Wirkungsgrad und Schaltverhalten

Bild 1 und Bild 2 zeigen den Wirkungsgrad des 1,2-A-Micromodules WE MagI3C Power Module 171010550 als Beispiel für die oben beschriebenen unterschiedlichen Lastsituationen.

In Bild 1 sieht man das „typische“ Verhalten, das von Standard-Abwärtswandlern zu erwarten ist, die im Pulsbreitenmodulationsmodus (PWM) arbeiten. Diese Betriebsart ist für Anwendungen zufriedenstellend, die den größten Teil ihrer Betriebslebensdauer unter hohen Lastbedingungen arbeiten.

Anwendungen wie Sensoren weisen jedoch eine andere Lastsituation auf. Hier ist der leichte Lastzustand die vorherrschende Betriebssituation. Daher muss das Schaltverhalten angepasst werden, um in dieser Lastsituation optimal zu funktionieren.

Die Betriebsart der Pulsfrequenzmodulation (PFM) bietet eindeutig höhere Effizienzwerte, wenn der Laststrom sinkt (Bild 2). Dies unterstützt eine längere Lebensdauer der Batterie in batteriebetriebenen Geräten.

Die graue Kurve (Vout = 1,8 V) zeigt den Übergang zwischen PFM- und PWM-Modus bei etwa 400 mA. Der genaue Punkt, an dem der Übergang stattfindet, hängt von der gewählten Ausgangs- und Eingangsspannung ab.

Schaltverhalten im PFM-Modus

Bild 3 vergleicht den Spulenstrom des Moduls WE 171010550 bei PWM- und PFM-Verhalten. Der Spulenstrom schaltet im PFM-Modus in Pulsen. Sowohl die Last- als auch der Ausgangskondensator werden während jedes Pulses mit Energie versorgt. Während der Leerlaufzeit (der Zeit zwischen zwei Pulsen) sind beide Schalter, der obere und der untere, ausgeschaltet. Dadurch kann der Ausgangskondensator den Laststrom ganz allein liefern. Entsprechend sinkt der Energieverbrauch des Moduls zwischen zwei Pulsen drastisch, bis das Feedback-System den nächsten Puls auslöst. Die Leerlaufzeit ist umgekehrt proportional zum Laststrom, das heißt, steigt der Laststrom, verringert sich die Zeit zwischen den Pulsen. Das Modul schaltet vom PFM- in den PWM-Modus zurück, wenn die Leerlaufzeit gegen Null geht, und kehrt zu einem konstanten Schaltverhalten bei der Standardschaltfrequenz von 4 MHz zurück.