Wenn mehr weniger ist: wertvollen Platz durch mehr Regler sparen

Von Bill Schweber

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Beim Entwurf des Stromverteilungsnetzwerks eines Systems oder einer Platine bzw. einer Stromversorgungsstruktur wird oft zwischen zentralisiert und dezentralisiert gewechselt. Dieser Wechsel wird durch Fortschritte bei Technologien und Komponenten sowie durch konkrete Anforderungen hervorgerufen. In Situationen, in denen es in erster Linie um das Einsparen von Platz für andere Funktionen geht, können die Entwickler zu winzigen DC/DC-Wandlern greifen, die noch weitere Vorzüge bieten.

Ein weiterer Vorteil dieser winzigen DC/DC-Einheiten besteht in der Flexibilität, die Stromversorgungstopologie und ihre Auswirkungen auf die Auslegung der Platine mit weniger Einschränkungen neu bewerten zu können, der verbesserten Leistung und dem höheren Wirkungsgrad sowie im allgemein geringeren Platzbedarf.

In diesem Artikel wird die Rolle von ultrakleinen DC/DC-Wandlern behandelt, und anschließend werden Beispiele für derartige Bausteine vorgestellt und ihr optimaler Einsatz besprochen.

Warum zu ultrakleinen Wandlern wechseln?

Das Aufkommen von winzigen DC/DC-Abwärtswandlern deutet auf einen Wechsel weg von größeren Zwischenbuswandlern (IBCs), die relativ große PoL-Wandler (Point-of-Load) versorgen, die dann wiederum ein recht umfangreiches Subsystem aus mehreren ICs versorgen.

Stattdessen besteht jetzt die Möglichkeit, breit verteilte, physisch sehr kleine Wandler zu verwenden, die direkt neben der entsprechenden Last angeordnet werden können und nur aus einem einzelnen IC und die ihn unterstützenden Komponenten bestehen können.

Es gibt zwei Gründe für den Einsatz dieser breit verteilten DC/DC-Wandler. Erstens erlauben neue Mikrokomponenten, höhere Betriebsfrequenzen (im Megahertz-Bereich), neue Fertigungstechniken und verbesserte Gehäuse die Entwicklung benutzerfreundlicherer DC/DC-Einheiten mit eindrucksvoller Leistung. Zweitens bietet diese Art der Bereitstellung von Stromschienen viele direkte und indirekte Vorteile für das Schaltungsdesign, das allgemeine Layout von Platinen und das Endprodukt.

Darüber hinaus kann die Verwendung von vielen kleineren Wandlern – auch wenn dies auf den ersten Blick ein Widerspruch zu sein scheint – den Gesamt-Platzbedarf des Energiesubsystems tatsächlich reduzieren, Platz auf der Platine einsparen und Implementierungsmöglichkeiten für neue Features und Funktionen bieten.

Ein Blick auf die technischen Daten

Ein Blick auf die technischen Daten dieser Wandler bezüglich Leistung und Größe ist interessant. Das „Nano“-Modul LMZ10501 von Texas Instruments ist ein Beispiel für einen DC/DC-Abwärtswandler, der eine Last von bis zu 1 A bewältigen kann (Abbildung 1).

Diagramm: DC/DC-Wandler LMZ10501 von Texas Instruments

Abbildung 1: Der DC/DC-Wandler LMZ10501 von Texas Instruments kann bis zu 1 A bei einem Wirkungsgrad von bis zu 95 % liefern. (Bildquelle: Texas Instruments)

Trotz dieser Ausgangsleistung trägt er die Bezeichnung „Nano“ zu Recht, da er einschließlich Induktor in einem 8-Pin-µSIP-Gehäuse mit den Abmessungen 3,00 mm × 2,60 mm untergebracht ist (Abbildung 2).

Bild: DC/DC-Regler LMZ10501 von Texas Instruments

Abbildung 2: Der DC/DC-Regler LMZ10501 wird einschließlich Drossel in einem µSIP-Gehäuse mit den Abmessungen 3,00 mm × 2,60 mm geliefert. Das untere Bild zeigt die Kontakte (links), und der größte Teil des oberen Bilds wird vom Induktor (rechts) eingenommen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Beim LMZ10501 handelt es sich nicht um ein abgespecktes Bauteil: er verfügt über eine Sanftanlauf-Funktion auf Grundlage einer internen Begrenzung der Stromstärke sowie über einen Überstromschutz und eine thermische Abschaltung. In einer typischen Anwendung für den Standardbetrieb werden nur ein Eingangskondensator, ein Ausgangskondensator, ein kleiner Kondensator zum Filtern von VCON und zwei Widerstände benötigt (Abbildung 3). Der eingebaute Induktor ist für eine Stromstärke von 1,2 ADC ausgelegt und wird durch ein „weiches“ Sättigungsprofil für bis zu 2 A unterstützt.

Diagramm: Der LMZ10501 von Texas Instruments benötigt nur drei kleine Kondensatoren und zwei Widerstände

Abbildung 3: Der LMZ10501 benötigt für seinen Betrieb nur drei kleine Kondensatoren und zwei Widerstände. Der relativ große Induktor ist Teil des ICs. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die Wahl der externen Kondensatoren erfordert sorgfältige Überlegungen. Um eine optimale Balance zwischen Größe, Kosten, Zuverlässigkeit und Leistung zu erzielen, sollten als Filter für Eingang und Ausgang MLCC-Komponenten mit niedrigem ESR-Wert gewählt werden. Zur Überbrückung von VIN reicht normalerweise ein einzelner 10 μF-Kondensator (Größe 0603 oder 0805) mit einer Nennspannung von 6,3 oder 10 V. Es können auch mehrere 4,7 μF- oder 2,2 μF-Kondensatoren verwendet werden.

Beachten Sie, dass ein zu niedriger Wert zu Instabilitäten aufgrund einer niedrigen Schleifenphasenreserve führen kann. Wenn der Kondensator am Ausgang allerdings zu groß ist, könnte er verhindern, dass die Ausgangsspannung den am Ende der Startsequenz erforderlichen Wert von 0,375 V erreicht. Höhere als die empfohlenen Werte bieten keinen entscheidenden Vorteil.

Ein Blick auf die Auswirkungen der Größe

Bei so geringer Grundfläche können die Entwickler ihre Planung neu überdenken und nach neuen Wegen für die Stromversorgung der verschiedenen ICs und anderer Komponenten suchen. Anstelle einer größeren Stromversorgungskomponente in einiger Entfernung – z. B. an einer Ecke der Platine – kann die Regulierung der Endstufe mit diesem µSIP direkt neben der Last erfolgen. Ein zusätzlicher Bonus dieser Bausteine ist, dass sie vollständig kompatibel mit Standard-Bestückungsmaschinen und -Lötstationen sind.

Wie lässt sich durch mehrere kleinere Einheiten Platz einsparen? Sowohl auf einem direkten als auch auf einem weniger direkten Weg:

  • Sie machen große und physisch umfangreichere Kondensatoren an der vorgeschalteten Stromversorgung entbehrlich, da der größte Teil der Regelung lokal in der Nähe der Last stattfindet.
  • Sie ermöglichen auch eine Anpassung der endgültigen DC-Stromschiene (oder Stromschienen) an die Kennwerte der Last an der vorgeschalteten DC/DC- oder AC/DC-Stromversorgungseinheit.
  • Da sich die DC-Stromschiene in der Nähe der Last befindet, werden weniger kleine Überbrückungskondensatoren auf den Schienen benötigt. Tatsächlich liefert der ultrakleine DC/DC-Wandler an der Last nicht nur den benötigten Strom, sondern er kann auch die Rolle einiger oder aller Überbrückungskondensatoren übernehmen.
  • Verbesserte Reaktion auf Transienten aufgrund der Nähe zur Last
  • Die Größe der Wandler kann individuell hinsichtlich des Betriebs im optimalen Last-Wirkungsgrad-Fenster gewählt werden. Dadurch wird der Gesamtwirkungsgrad erhöht, die bescheidene Wärmeabgabe wird über einen größeren Bereich verteilt und ein Lüfter oder Kühlkörper wird möglichweise gänzlich überflüssig.
  • Die Bausteine sind so dünn, dass sie an der Unterseite der Platine angebracht werden können, selbst dann, wenn sich die Platine in einem schmalen Rack oder in einem flachen Gehäuse befindet. Auch dies trägt zur Flexibilität des Designs bei, was zu einer Platzeinsparung führen kann.
  • Übersprechen und Rauschen zwischen einem „rauschenden“ IC und anderen empfindlichen ICs wird stark reduziert.
  • Obwohl diese Wandler nicht elektrisch isoliert sind, muss ihre Größe nur für die isolierte Funktion ausreichen, wenn ein kleiner isolierter Wandler benötigt wird.
  • Schließlich werden weniger breite Leiterbahnen auf der Platine benötigt, was den IR-Abfall und parasitäre Kapazitäten an den DC-Stromschienen reduziert, die das Transientenverhalten auf der Lastseite beeinflussen.

Beachten Sie, dass diese winzigen DC/DC-Wandler nicht auf Lasten unter 1 A beschränkt sind. Das ebenfalls von Texas Instruments stammende MicroSiP™-Leistungsmodul TPS82130 liefert eine Ausgangsstromstärke von 3 A bei einer Eingangsspannung von 3 bis 17 V. Integriert sind ein synchroner Abwärtswandler und ein Induktor. Damit wird eine einstellbare Ausgangsspannung zwischen 0,9 und 6 V geliefert (Abbildung 4).

Diagramm: DC/DC-Modul TPS82130 von Texas Instruments

Abbildung 4: Das DC/DC-Modul TPS82130 von Texas Instruments benötigt nur wenige passive Komponenten. Es kann bis zu 3 A bei 0,9 bis 6 V (vom Benutzer einstellbar) aus einer DC-Eingangsspannung zwischen 3 und 17 V liefern. (Bildquelle: Texas Instruments)

Lassen Sie sich nicht von der Bezeichnung „Modul“ irreführen: der Baustein misst nur 3,0 mm × 2,8 mm × 1,5 mm. Ein Blick auf die betreffenden Leistungsdiagramme zeigt, dass der Gesamt-Wirkungsgrad bei etwas über 1 A seinen höchsten Wert hat und bis zum Nennwert von 3 A so hoch bleibt (Abbildung 5).

Diagramm: Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers TPS82130

Abbildung 5: Der Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers TPS82130 liegt bei 60 % und mehr beim Betrieb mit höheren Lasten, und der Spitzenwert wird bei 1 A erreicht. So kann die Größe optimal passend zur Last gewählt werden. (Bildquelle: Texas Instruments)

Lösung von Problemen mit dem relativen Timing

Wenn ein System über mehrere Stromschienen verfügt, treten häufig Probleme mit dem Ein- und Ausschalt-Timing zwischen diesen auf. Es gibt drei grundlegende Timing-Typen: „sequenziell“, „ratiometrisch“ und „gleichzeitig“, jeweils mit Abwandlungen. Jedes dieser Timings kann mithilfe des EN-Pins (Enable) und des SS/TR-Pins (Soft Start/Tracking) am TPS82130 durchgeführt werden, zusammen mit einigen Widerständen und/oder Kondensatoren (wir gehen der Einfachheit halber von nur zwei Stromschienen aus).

Beim sequenziellen Timing wird der zweite Baustein erst dann eingeschaltet, wenn der erste

geregelt ist (Abbildung 6).

Schaltbild: Mehrere für sequenzielles Timing konfigurierte TPS82130-Einheiten

Abbildung 6: Es können mehrere TPS82130-Einheiten für sequenzielles Timing konfiguriert werden, wobei der linke Regler vor dem rechten eingeschaltet wird. Hinweis: Die ICs in der Abbildung tragen die Bezeichnung TPS62130. Der TPS82130 hat verbesserte Spezifikationen, unterscheidet sich aber nicht in den Funktionen und der Pin-Auslegung. (Bildquelle: Texas Instruments)

Beim ratiometrischen Timing starten beide Ausgangsspannungen gleichzeitig und erreichen gleichzeitig die Regelung (Abbildung 7). Das Timing wird als „ratiometrisch“ bezeichnet, weil die Spannungen normalerweise verschieden sind und ihre Anstiege dV/dt voneinander abweichen, sich aber nur durch einen konstanten Faktor unterscheiden.

Diagramm: Konfiguration für ratiometrisches Timing, wobei beide Spannungsanstiege gleichzeitig beginnen und enden

Abbildung 7: In der Konfiguration für ratiometrisches Timing (links) beginnt und endet der Anstieg der zweiten Spannung zum gleichen Zeitpunkt wie der der ersten /rechts), wobei das Verhältnis (engl.: ratio) zwischen beiden konstant bleibt. (Bildquelle: Texas Instruments)

Zum Schluss sind nach gleichzeitigem Start die Anstiege der beiden Ausgangsspannungen gleich, d. h. die Spannungen erreichen die Regelung zu verschiedenen Zeitpunkten (Abbildung 8).

Diagramm: Simultaner Modus, der Anstieg beider Spannungen beginnt gleichzeitig

Abbildung 8: Im simultanen Modus beginnt der Anstieg der beiden Spannungen gleichzeitig, aber die Regelung wird zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreicht. (Bildquelle: Texas Instruments)

Neben der relativen Startreihenfolge können Schwierigkeiten mit dem „Soft Start“ (der Anstiegsrate der Spannung beim Hochfahren) und bei der Verfolgung der wirklichen relativen Spannungen an der Stromschiene auftreten. Der TPS82130 trägt auch dem mit seinem SS/TR-Anschluss Rechnung.

Was tun mit dem neuen freien Platz?

Es gibt viele Möglichkeiten, wie der jetzt zusätzlich verfügbare Platz verwendet werden kann. Die richtige Wahl hängt von den Prioritäten der Anwendung ab. Bei vielen Designs gilt es in erster Linie, die elektrische und mechanische Widerstandsfähigkeit zu verbessern. Diese Gebiete werden oft „zurückgeschnitten“, sobald der Platz knapp wird.

Dies könnte bedeuten, dass zusätzliche Stromabnehmerklemmen, Schutzschaltungen gegen Überspannungen, Stoßspannungsunterdrücker und ein Verpolungsschutz für die stets empfindlichen E/A-Leitungen eingebaut werden. Auf der mechanischen Seite könnten zusätzliche Stützen und Befestigungsschrauben für die Platine, Haltevorrichtungen, Batterieklemmen und andere Strukturverbesserungen zur vorteilhaften Nutzung des freien Platzes beitragen.

Danach wäre es an der Zeit, an eine Erweiterung der Fähigkeiten und der Funktionalität zu denken. Vielleicht ist jetzt Platz für eine etwas größere Batterie oder ein größeres Display und einen größeren Treiber-IC, für weitere LED-Anzeigen oder sogar für weitere Bedienungstasten. Vielleicht kann jetzt mehr Speicher vorgesehen werden, auch wenn dazu mehr Platz für ICs gebraucht wird. Der bescheidene Zugewinn, der durch den Einsatz dieser winzigen lokalen DC/DC-Wandler gewonnen wird, könnte gerade für Weiteres reichen, insbesondere deswegen, weil das Platinenlayout jetzt flexibler geworden ist.

Fazit

Manchmal kann weniger auf unerwartete Weise mehr bedeuten. Die Verfügbarkeit von ultrakleinen DC/DC-Abwärtswandlern macht es möglich, dass die Regler sehr nahe an der Last platziert werden können, was einen Domino-Effekt auf die elektrische Leistung, das Platinenlayout und die Art der vorgeschalteten Stromversorgung und das thermische Verhalten auslöst.

Ein Folgeeffekt der Verwendung von Ultra-Miniatur-Wandlern besteht darin, dass sie mehr Platz auf der Platine innerhalb der vorgegebenen äußeren Abmessungen eines Designs frei macht und damit weitere elektrische und mechanische Verbesserungen sowie neue Features und Funktionen ermöglicht.

Literatur

  1. Texas Instruments, SLVA470A, „Sequencing and Tracking with the TPS621-Family and TPS821-Family

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Über den Autor

Bill Schweber

Bill Schweber ist ein Elektronikingenieur, der drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme sowie Hunderte von Fachartikeln, Stellungnahmen und Produktbeschreibungen geschrieben hat. In früheren Funktionen arbeitete er als technischer Website-Manager für mehrere themenspezifische Websites für EE Times sowie als Executive Editor und Analog Editor bei EDN.

Bei Analog Devices, Inc. (einem führenden Anbieter von Analog- und Mischsignal-ICs) arbeitete Bill in der Marketingkommunikation (Öffentlichkeitsarbeit). Somit war er auf beiden Seiten des technischen PR-Bereichs tätig. Einerseits präsentierte er den Medien Produkte, Geschichten und Meldungen von Unternehmen und andererseits fungierte er als Empfänger derselben Art von Informationen.

Vor seinem Posten in der Marketingkommunikation bei Analog war Bill Mitherausgeber der renommierten Fachzeitschrift des Unternehmens und arbeitete auch in den Bereichen Produktmarketing und Anwendungstechnik. Zuvor arbeitete Bill bei Instron Corp. als Designer von Analog- und Leistungsschaltungen sowie von integrierten Steuerungen für Materialprüfmaschinen.

Er verfügt über einen MSEE (University of Massachusetts) und einen BSEE (Columbia University), ist ein registrierter Fachingenieur und hat eine Amateurfunklizenz für Fortgeschrittene. Darüber hinaus hat Bill Online-Kurse zu verschiedenen Themen geplant, verfasst und abgehalten, etwa zu MOSFET-Grundlagen, zur Auswahl von Analog/Digital-Wandlern und zur Ansteuerung von LEDs.

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