Auf den ersten Blick erscheint es logisch: Ein 2x2mm großes Controller-IC der neuesten Generation wird mit den empfohlenen Komponenten auf der Platine platziert, wodurch ein vollständig funktionsfähiger Schaltregler mit hoher Effizienz, geringem Ruhestrom und allen wichtigen Schutz- und Steuerfunktionen entsteht. In der Theorie mag dies ideal erscheinen, doch die Praxis zeigt zahlreiche Herausforderungen.
Warum modulare SMD-Schaltregler effizienter sind
20.03.2019
Moderne Controller-Chips machen den diskreten Aufbau von Schaltreglern scheinbar zum Kinderspiel. Warum also sollte man mehr für fertige Module ausgeben, anstatt das Controller-IC zusammen mit den empfohlenen externen Komponenten direkt auf der SMD-Platine zu platzieren? Die Antwort liegt in den praktischen Herausforderungen dieser Methode.
Inhaltsverzeichnis
Was bei dynamischer Belastung beachtet werden muss
Die vom Chip-Hersteller vorgeschlagenen Schaltungsbeispiele basieren oft auf der Annahme, dass Lasten überwiegend statisch sind. Daher enthalten sie nur wenige zusätzliche Komponenten. In der Realität sind statische Lasten jedoch selten. Lastwechsel mit einem Verhältnis von 1:1 Million sind häufig – beispielsweise wenn ein Mikrocontroller in den Schlafmodus wechselt.
Was passiert in einem Schaltregler, wenn die Lastanforderung plötzlich von mehreren Ampere auf einige µA fällt? In diesem Moment ist die "Intelligenz" des Controllers irrelevant – die physikalischen Gesetze bestimmen den Prozess. Die in der Induktivität gespeicherte Energie wird während einer Halbwelle zur Last übertragen. Sinkt die Last abrupt auf Null, kann diese Energie nur in den Ausgangskondensator abgeleitet werden.
Wie die Formel zeigt, führt überschüssige Energie zu einem schnellen Spannungsanstieg. Der Controller reduziert die "On-Time" auf Null. Falls jedoch noch Restenergie in der Induktivität verbleibt, kann die Ausgangsspannung nicht mehr korrekt geregelt werden. Bei Designs mit niedriger Ausgangsspannung kann sich diese sogar verdoppeln, sofern die Kapazität nicht wesentlich höher ist als im Datenblatt empfohlen.
Um dieses Problem zu lösen, sind erweiterte Maßnahmen erforderlich. Die RPM-Serie von RECOM verwendet beispielsweise sechs parallel geschaltete Kondensatoren am Ausgang (Abb. 1), weit mehr als von Chipherstellern empfohlen. Durch die Parallelschaltung mehrerer kleiner Keramikkondensatoren wird eine größere Oberfläche erreicht, die eine bessere Wärmeableitung aus dem IC und den Induktivitäten zur GND-Plane ermöglicht. Zudem verringert dieses Design den ESR.
Abb. 1: Die nur 1,5cm² große RPM-Modulplatine von RECOM ist mit sechs parallel geschalteten Kondensatoren bestückt, um auch extreme Lastwechsel zu bewältigen.
Was passiert in einem Schaltregler, wenn die Lastanforderung plötzlich von mehreren Ampere auf einige µA fällt? In diesem Moment ist die "Intelligenz" des Controllers irrelevant – die physikalischen Gesetze bestimmen den Prozess. Die in der Induktivität gespeicherte Energie wird während einer Halbwelle zur Last übertragen. Sinkt die Last abrupt auf Null, kann diese Energie nur in den Ausgangskondensator abgeleitet werden.
Wie die Formel zeigt, führt überschüssige Energie zu einem schnellen Spannungsanstieg. Der Controller reduziert die "On-Time" auf Null. Falls jedoch noch Restenergie in der Induktivität verbleibt, kann die Ausgangsspannung nicht mehr korrekt geregelt werden. Bei Designs mit niedriger Ausgangsspannung kann sich diese sogar verdoppeln, sofern die Kapazität nicht wesentlich höher ist als im Datenblatt empfohlen.
Um dieses Problem zu lösen, sind erweiterte Maßnahmen erforderlich. Die RPM-Serie von RECOM verwendet beispielsweise sechs parallel geschaltete Kondensatoren am Ausgang (Abb. 1), weit mehr als von Chipherstellern empfohlen. Durch die Parallelschaltung mehrerer kleiner Keramikkondensatoren wird eine größere Oberfläche erreicht, die eine bessere Wärmeableitung aus dem IC und den Induktivitäten zur GND-Plane ermöglicht. Zudem verringert dieses Design den ESR.
Abb. 1: Die nur 1,5cm² große RPM-Modulplatine von RECOM ist mit sechs parallel geschalteten Kondensatoren bestückt, um auch extreme Lastwechsel zu bewältigen.
Wie EMV-Kompatibilität verbessert wird
Während sich die zuvor beschriebenen Herausforderungen mit zusätzlichem Designaufwand lösen lassen, stellt die EMV-Kompatibilität eine größere Hürde dar. Die Leistung eines Filters hängt nicht nur vom Controller-IC ab, sondern maßgeblich von der PCB-Layoutgestaltung. Deshalb verzichten IC-Hersteller oft auf spezifische EMV-Empfehlungen. Viele Entwickler kennen die Interaktionen zwischen IC und PCB nicht genau und können kaum vorhersagen, ob ihre Schaltung den EMV-Test besteht.
Die Herausforderung der EMV-Kompatibilität nimmt mit steigender Schaltfrequenz zu, da kleinere Induktivitäten erforderlich sind. Laut Fourier kann ein Rechtecksignal als unendliche Summe sinusförmiger Wellen höherer Frequenzen dargestellt werden. Je höher die Schaltfrequenz, desto mehr Oberwellen treten auf – was das Risiko von Resonanzen zwischen PCB-induzierten Induktivitäten und Kapazitäten erhöht.
Fertige Module sind zertifizierte Bauteile, die auf EMV-Optimierung ausgelegt sind. Die RECOM RPM-Serie verfügt beispielsweise über eine 4-Lagen-Platine, deren unterste Schicht zusammen mit dem Metallgehäuse eine sechsseitige Abschirmung bildet (Abb. 2). Dadurch wird eine hervorragende EMV-Leistung erreicht. Die Datenblätter enthalten Angaben zu SMD-Ferritperlen, die eine zuverlässige Class A- oder Class B-Compliance ermöglichen (Abb. 3). Je nach Netzteilqualität und Distanz zur Last kann auf zusätzliche Filtermaßnahmen verzichtet werden.
Abb. 3: EMV-Messung des RPM5.0-6.0 mit externen Filterkomponenten für Class B.
Die Herausforderung der EMV-Kompatibilität nimmt mit steigender Schaltfrequenz zu, da kleinere Induktivitäten erforderlich sind. Laut Fourier kann ein Rechtecksignal als unendliche Summe sinusförmiger Wellen höherer Frequenzen dargestellt werden. Je höher die Schaltfrequenz, desto mehr Oberwellen treten auf – was das Risiko von Resonanzen zwischen PCB-induzierten Induktivitäten und Kapazitäten erhöht.
Fertige Module sind zertifizierte Bauteile, die auf EMV-Optimierung ausgelegt sind. Die RECOM RPM-Serie verfügt beispielsweise über eine 4-Lagen-Platine, deren unterste Schicht zusammen mit dem Metallgehäuse eine sechsseitige Abschirmung bildet (Abb. 2). Dadurch wird eine hervorragende EMV-Leistung erreicht. Die Datenblätter enthalten Angaben zu SMD-Ferritperlen, die eine zuverlässige Class A- oder Class B-Compliance ermöglichen (Abb. 3). Je nach Netzteilqualität und Distanz zur Last kann auf zusätzliche Filtermaßnahmen verzichtet werden.
Abb. 3: EMV-Messung des RPM5.0-6.0 mit externen Filterkomponenten für Class B.
Effektives Wärmemanagement
Nach der Lösung von EMV-Problemen bleibt das Wärmemanagement eine zentrale Herausforderung. Moderne Controller-ICs sind kompakt, wodurch eine effektive Wärmeableitung schwierig wird. Eine gute Wärmeableitung ist jedoch entscheidend für eine lange Lebensdauer und eine hohe Umgebungstemperaturbeständigkeit.
4-Lagen-Platinen sind hier besonders vorteilhaft, da die GND-Plane als Kühlfläche fungiert. Wenn zwei Lagen für die restliche Schaltung ausreichen, sind fertige Module oft wirtschaftlicher. RECOMs RPM-Serie wurde speziell für optimiertes Wärmemanagement entwickelt.
In RECOMs F&E-Labor in Gmunden wurde intensiv an einer Lösung gearbeitet, die sowohl elektronische als auch thermische Anforderungen optimal kombiniert. Die 12x12mm-Platine der RPM-Module verfügt über verschiedene als "Heat Pipe" ausgelegte Vias, die eine gleichmäßige Wärmeableitung zum Metallgehäuse und zur GND-Plane ermöglichen.
4-Lagen-Platinen sind hier besonders vorteilhaft, da die GND-Plane als Kühlfläche fungiert. Wenn zwei Lagen für die restliche Schaltung ausreichen, sind fertige Module oft wirtschaftlicher. RECOMs RPM-Serie wurde speziell für optimiertes Wärmemanagement entwickelt.
In RECOMs F&E-Labor in Gmunden wurde intensiv an einer Lösung gearbeitet, die sowohl elektronische als auch thermische Anforderungen optimal kombiniert. Die 12x12mm-Platine der RPM-Module verfügt über verschiedene als "Heat Pipe" ausgelegte Vias, die eine gleichmäßige Wärmeableitung zum Metallgehäuse und zur GND-Plane ermöglichen.
Weitere technische Details
Die RPM-Serie umfasst nicht-isolierte SMD-Schaltregler-Module nach modernsten Standards. Aktuelle Modelle bieten 3,3V und 5V Ausgangsspannungen bei 1A, 2A, 3A oder 6A, mit einstellbaren Spannungen zwischen 0,9V und 6,0V durch externe Widerstände. Die ultraflachen Module erreichen Wirkungsgrade von 97% bis 99% und bieten eine optimierte Effizienz besonders im Bereich von 5% bis 20% Last (Abb. 4).
Maximal zulässige Umgebungstemperaturen sind ebenfalls hoch – z. B. +107°C für die 1A-Version ohne externe Kühlung. Die Module bieten zudem Funktionen wie Soft Start, Sequencing und Output Voltage Tracking. Sie werden vollautomatisch in Europa gefertigt und sind über Distributoren erhältlich.
Maximal zulässige Umgebungstemperaturen sind ebenfalls hoch – z. B. +107°C für die 1A-Version ohne externe Kühlung. Die Module bieten zudem Funktionen wie Soft Start, Sequencing und Output Voltage Tracking. Sie werden vollautomatisch in Europa gefertigt und sind über Distributoren erhältlich.
Evaluation Boards für schnelleres Prototyping
Der Einsatz modularer DC/DC-Wandler ermöglicht eine schnellere Prototypenentwicklung. Die neue RPM-Serie nutzt 25 Lötpads, die jeweils nur etwa 1 mm² groß sind. RECOM bietet spezielle Evaluation-Boards, um die Einbindung der Module zu erleichtern, ohne dass gelötet werden muss.
Fazit
Obwohl integrierte Controller-ICs die Realisierung nicht-isolierter Schaltregler erleichtern, sind fertige Module oft die bessere Wahl. Sie beschleunigen die Prototypenentwicklung, reduzieren das Risiko von EMV-Problemen und optimieren die BOM. Zudem entfällt die Herausforderung, winzige Controller-Chips auf der Platine korrekt zu platzieren.
Anwendungen
