Neue Maßstäbe im Design des integrierten Schaltreglers erreicht

Die Entwickler elektronischer Systeme und Produkte wissen seit langem, dass interne Versorgungsschienen nicht wirklich als unabhängig von der Gerätefunktion angesehen werden können. Natürlich kann die Produktleistung stark von der Genauigkeit der Spannungsschiene, dem Geräuschpegel und der Reaktion auf Lasttransienten abhängen. Die Betriebsgeschwindigkeit und der Stromverbrauch des Systems können jedoch auch durch die dynamische Steuerung der Stromschienen optimiert werden, die von hocheffizienten Schaltreglern erzeugt werden. Dies ist beispielsweise beim Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) von größter Bedeutung, bei dem mehr Leistung in entfernte Sensoren und Aktoren gepackt wird, die über einen weiten Eingangsspannungsbereich betrieben werden und gleichzeitig die Leistungsaufnahme zur Verlängerung der Batterielebensdauer begrenzen müssen. Gleichzeitig wird erwartet, dass Produkte kleiner werden, im Betrieb kühler laufen, zuverlässiger sind und natürlich geringere Kosten verursachen.

In Hochleistungssystemen muss jeder Schritt der Leistungsumwandlung von der Versorgung bis zu den einzelnen Verbrauchern bewertet und optimiert werden. In solch komplexen Systemen mit mehreren Versorgungsspannungsschienen sind Point of Load (PoL)-Wandler – eine Art DC/DC-Wandler – häufig die beste Lösung, da sie bei Bedarf präzise Spannungsschienen bereitstellen – idealerweise mit großem Eingangsbereich, hohem Wirkungsgrad und programmierbaren Ausgängen. PoLs als komplette Module gibt es seit vielen Jahren, aber viele stammen aus dem Telekommunikationsmarkt mit sehr hohen Ausgangsströmen bei sehr niedrigen Spannungen und einem sehr engen Versorgungsspannungsbereich. Was die IoT-Branche möchte, ist ein PoL-Spannungsregler, der kostengünstig, flexibel, effizient, klein und mit automatischen Bestückungssystemen und Industrieumgebungen kompatibel ist – insbesondere mit der für die industrielle Automatisierung typischen 24-V-Versorgungsspannung.

Der RPX-2.5 integrierte Regler hat einen weiten Eingangsbereich von 4,5 bis 28V (24V + 15% Toleranz) und einen einstellbaren Ausgang von 1,2 bis 6V. Der Nennstrom von 2,5A ist konservativ, und es steht mehr Strom zur Verfügung, um Anwendungen mit hohem Anlaufstrom zu versorgen. Wirkungsgradspitzen von 91% mit 12V-Eingang und 5V-Ausgang sind erreichbar – und dieser hohe Wert bleibt selbst bei einer Last von nur 3% erhalten. Das ist besonders vorteilhaft für Anwendungen mit „Sleep“-Modus oder intermittierender Last. Effektives Powermanagement ist ein wesentlicher Vorteil.

Selection Guide:


Abhängig von der Kombination aus Eingangs- und Ausgangsspannung wird die volle Ausgangsleistung bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 85°C mit einer bestimmten Leiterplattengröße und einem bestimmten Kupfergewicht ohne Kühlkörper oder forcierter Luftkühlung garantiert. Diese herausragende Leistung wird in einem kleinen Gehäuse mit der „Flip-Chip-On-Leadframe“-Technologie (FCOL) erzielt, die einen sehr geringen Wärmewiderstand vom Steuer-IC-Übergang zu den PCB-Pads bietet. Das Produkt ist zudem überformt und bildet ein bleifreies QFN-Gehäuse (Quad Flat No-Lead) mit MSL3-Einstufung und vollem Umweltschutz.

Die Herstellung des Teils erfolgt vollautomatisch mit einem integrierten abgeschirmten Induktor, der zusammen mit den reduzierten parasitären Induktivitäten des kompakten Designs eine von Natur aus niedrige EMI ergibt. Der Ausgangsschutz ist ebenfalls umfassend und unempfindlich gegen Kurzschlüsse, Überstrom und Übertemperatur. Diese Eigenschaften tragen zu neuen Reglerstandards in Zuverlässigkeit und Leistung bei.

Für eine optimale Flexibilität kann die Ausgangsspannung extern mit einer Widerstandskette voreingestellt werden, die an den ‚FB‘-Pin angeschlossen ist. Dies ermöglicht dem Anwender, die Ausgangsspannung optimal anzupassen und optional Fernerkundung (Remote Sensing) zur präzisen Lastregelung zu implementieren. Zusätzlich kann ein beschleunigender Feed-Forward-Kondensator (CFF in Abbildung 2) integriert werden, um die Reaktionszeit bei Überstromtransienten zu verbessern. Alternativ kann CFF weggelassen und zusätzliche Ausgangskapazität hinzugefügt werden, um die Toleranz gegenüber Überstromtransienten zu erhöhen. Durch die Auswahl der Ausgangsspannung durch den Benutzer werden auch die Bestandskosten niedrig gehalten, da nur ein Teil mehrere Anwendungen abdeckt (z. B. 1,8V, 3,3V oder 5V mit einem Teil).


Dies kann durch dynamische Anpassung der Ausgangsspannung unter externer Steuerung noch weiter vorangetrieben werden. Insbesondere im Internet der Dinge (IoT) gibt es viele Anwendungen, bei denen Prozessortakt und Versorgungsspannung für eine optimale Leistung und einen optimalen Stromverbrauch gegeneinander abgewogen werden können. Beispielsweise verbraucht ein Mikrocontroller mit 3,3V/16MHz normalerweise 30mW, aber die VCC-Spannung kann nicht unter 3,2V gesenkt werden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Wenn der µC inaktiv ist (z. B. auf Eingabe wartet), kann die Taktfrequenz auf 1MHz reduziert werden, wodurch der Verbrauch auf nur 6mW (20%) reduziert wird. Bei einer Taktfrequenz von 1MHz ist der Versorgungsspannungsbereich jedoch viel breiter und kann auf 1,8V reduziert werden, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen.

Durch die Implementierung dieser reduzierten Versorgungsspannung sinkt der Verbrauch zusätzlich auf nur 1,2mW (4% oder eine 25-fache Reduzierung im Vergleich zum Betrieb mit voller Leistung) und liegt damit im Bereich vieler Energy-Scavenging-Techniken (Abbildung 3). Diese adaptive Versorgungsspannungsfunktion lässt sich mit dem RPX-2.5 DC-DC-Wandler über eine Verbindung von seinem FB-Pin zu einem I/O-Pin des Mikrocontrollers einfach implementieren, sodass der µC unterschiedliche Widerstandswerte einschalten und seine eigene Versorgungsschiene einstellen kann.

Der RPX-2.5 benötigt einen Eingangskondensator, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Dies kann auch ein kleiner 10µF-MLCC-Typ sein. Für Anwendungen mit hoher dynamischer Ausgangslast wird ein elektrolytischer Typ mit 47µF parallel geschaltet und einem Rippelstrom von 1,25A oder höher empfohlen. Oft ist für viele Benutzer jedoch bereits eine ausreichende Kapazität am Stromversorgungsausgang vorhanden. Zur Einhaltung der EN 55032 Klasse B kann eine Serien-Eingangsinduktivität hinzugefügt werden.

Ebenso werden Ausgangskondensatoren benötigt, deren Werte von der Ausgangsspannung und der Belastung abhängen. Durch das Hinzufügen von Ein- und Ausgangskondensatoren nur bei Bedarf und deren anwendungsspezifisch optimierter Größe und Spannungsfestigkeit entsteht eine insgesamt kompaktere und kostengünstigere Lösung. Dies ist effizienter als fest eingebaute Kondensatoren, die im Datenblatt auf die jeweils maximalen Eingangs- und Ausgangsspannungen ausgelegt sein müssen. Ausgangskondensatoren können auch an der optimalen Position angebracht werden, beispielsweise neben den Versorgungspins des Mikrocontrollers. Diese Flexibilität im Reglerdesign ist ein wesentlicher Vorteil.

Oft müssen PoLs in der Lage sein, Spitzenleistungswerte für hochdynamische Lasten wie ein GSM-Modul im Sendemodus bereitzustellen. Eine Lösung besteht darin, den Wandlerso zu dimensionieren, dass er für den höchsten Spitzenstrom ausgelegt ist. Dies hat jedoch häufig den Nachteil eines schlechten Wirkungsgrades bei geringer Ausgangslast. Andererseits kann ein PoL mit hoher kurzzeitiger Spitzenstrombelastbarkeit kleiner, effizienter und kostengünstiger ausgelegt sein. Das RPX-2.5 Leistungsmodul bietet diese Funktion mit einer 30%igen „Boost“-Fähigkeit auf 3,2A oder mehr für bis zu fünf Sekunden – mehr als genug Zeit, um Datenübertragungen mit hoher Leistung oder hohe Startströme zu ermöglichen. Die Zuverlässigkeit wird jedoch nicht beeinträchtigt. Das Bauteil hat eine MTBF von 400 Mio. Stunden bei 25°C gemäß dem Telcordia-Zuverlässigkeitsleitfaden SR-232.

Für noch höhere Anforderungen bietet der RPX-4.0 einen Ausgang von bis zu 4A im gleichen kompakten Formfaktor. Damit ist er ideal für Anwendungen, bei denen eine dauerhaft hohe Leistung erforderlich ist, ohne auf kurzzeitige Boost-Funktionen angewiesen zu sein. Er ergänzt den RPX-2.5, indem er Entwicklern mehr Spielraum bietet – bei gleichzeitig hervorragendem thermischen Verhalten und einem Wirkungsgrad von bis zu 87%.

Mit seinen breiten Ein- und Ausgangsbereichen findet der RPX-2.5 in vielen Bereichen Anwendung. Normalerweise kann dieser Spannungsregler mit 24V-Industrieautomationsversorgungen mit einer Toleranz von +15% verwendet werden, um 3,3V oder 5V für Steuerkarten bereitzustellen. Die geringe Größe des Produkts eröffnet weitere Möglichkeiten, z. B. die Integration in einen Steckverbinder, um 5V auf 3,3V für einen Sensor zu senken. Der RPX-2.5 integrierte Regler kann auch in automatisierten Testgeräten, medizinischen Geräten und bildgebenden Geräten, Hochleistungs-Energiesystemen und vielem mehr verwendet werden – einschließlich natürlich IoT. Für Anwender, die nach RECOM Regler suchen, ist der RPX-2.5 ein führendes Beispiel für Innovation.

Ein Evaluierungsboard RPX-2.5-EVM-1 von RECOM ist erhältlich. Das Board ermöglicht die Auswahl gängiger Ausgangsspannungen und die Ausführung und Auswertung der Fernerkennungs- und Unterspannung Sperrfunktionen. Die Filterung entspricht EN55032 Klasse B, es sind jedoch Lötpositionen für alternative Komponenten vorgesehen, um die EMV-Leistung an die jeweiligen Betriebsbedingungen und Budgetvorgaben optimal anzupassen. Das EVM bietet das geeignete thermische Design, damit die volle Leistung des RPX-2.5 bewertet werden kann.

Muster und OEM-Preise erhalten Sie bei allen authorisierten Distributoren oder direkt von RECOM.