Abwärtswandler - Von der Schaltung zum komplett integrierten Modul
02.07.2021
Der Tiefsetzsteller, oder auch Abwärtswandler, findet bereits seit einem Jahrhundert Verwendung und ist aus heutigen elektronischen Schaltkreisen nicht mehr wegzudenken. Wie sich aus einem groben elektromechanischen Bauteil eine Aufbaukomponente im Miniaturformat entwickelt hat, die Hunderte von Watt Leistung verarbeiten kann, beschreibt dieser Artikel.
Der Abwärtswandler wandelt eine Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung um. Seine Grundelemente sind in Abbildung 1 dargestellt. Zunächst ist der Schalter SW1 geschlossen; das heißt, es fließt Strom in die Spule L1. Da die Spule ein differenzierendes Bauteil ist, steigt der Stromfluss stetig an, bis der Schalter SW1 geöffnet wird und SW2 schließt. Dadurch ändert sich der Stromfluss. Der Kondensator C1 ist ein integrierendes Bauteil; die resultierende Ausgangsspannung ist daher eine Funktion des Stromes und der Einschaltzeiten der Schalter SW1 und SW2.
Ursprünglich waren S1 und S2 tatsächlich mechanische Schalter, aber diese wurden schnell durch Silizium ersetzt – S1 mit einem Transistor und S2 mit einer Diode.
Abbildung 1: Die Grundelemente eines Abwärtswandlers (Bildquelle: RECOM)
Schaltungen verändern sich mit dem technologischen Fortschritt
Im Laufe der Jahre wurden Anstrengungen unternommen, so viele Bauteile wie möglich in den Steuerschaltkreis zu integrieren, um die Kosten und die Größe zu reduzieren. Ein Durchbruch war, den Hauptschalter, S1, direkt im Controller IC zu integrieren, aber die Spule sowie die Diode waren immer noch extern anzubringen. Um den Wirkungsgrad noch zu erhöhen, wurden dann bei neueren Versionen beide Schalter (SW1 und SW2) mit MOSFETs ausgestattet, womit Schaltfrequenzen bis zu 2MHz möglich sind.
Abbildung 2: Die Entwicklung der Abwärtswandler-Integration (Bildquelle: RECOM)
Integration der Spule als Schlüssel zur Miniaturisierung
Nachdem die Umstellung auf MOSFETs geglückt war, galt es, einen weiteren Schritt hin zur Miniaturisierung zu gehen. Durch die immer höher werdenden Schaltfrequenzen war es nun möglich, die Spule in ihrer Bauform zu reduzieren. Die Amplituden der Ströme sanken, was Auswirkungen auf die Größe des Ausgangskondensators hatte. Die Verwendung von höherwertigen Kondensatoren mit geringerer Eigenerwärmung unterstützte diese Verbesserung noch zusätzlich.
Aktuell besteht das Ziel jedoch darin, die Designgrößen zu reduzieren und die Effizienz noch weiter zu steigern; dafür müssen die getakteten Stromkreise minimiert und die Komponenten auf der Z-Achse übereinander montiert werden.
Das einfachste Beispiel ist die Flip Chip on Leadframe (FCOL) Packaging-Technologie, bei welcher der Controller IC (mit integrierten Leistung-Transistoren) kopfüber direkt mit dem Leadframe-Stanzgitter verbunden ist, neben einer SMD-Drossel, die ebenfalls direkt am Leadframe angebracht ist (Abb. 3).
Abbildung 3: Flip Chip on Leadframe-Konstruktion
Diese Konstruktion ermöglicht eine vollautomatisierte Fertigung von sehr kompakten Abwärtswandler-Modulen. Die dadurch verkürzten Verbindungen der selbstabschirmenden Induktivität wirken sich zudem positiv auf das EMV-Verhalten aus. Auf diese Weise hergestellte Produkte können auch umgespritzt werden, wodurch ein bleifreies QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead) mit MSL3-Rating und vollem Umweltschutz entsteht. Ein Beispiel hierfür ist die RECOM RPX-Serie (Abbildung 4) mit einem von 1,2V bis 6V einstellbaren 2,5A-Ausgang in einem 4,5 x 4 x 2 mm kleinen Gehäuse, das lediglich externe Eingangs- und Ausgangskondensatoren benötigt.
Abbildung 4: Das POL-Modul des RECOM RPX-Abwärtswandlers mit integriertem Chip-Induktor und Flip Chip on Leadframe-Konstruktion (Bildquelle: RECOM)
Bei diesen Modulen handelt es sich um eine Komplettlösung, die mithilfe von Standard-SMD-Bestückungs- und Ofenlötprozessen auf die Leiterplatte des Anwenders montiert werden kann. RECOM hat kürzlich unter Anwendung dieser neuen Packaging-Techniken zwei weitere Leistungsmodule der RPX-Serie herausgebracht, die auf der FCOL-Technologie basieren: Die Module der Serien RPX-1.0 und RPX-1.5 können in ultrakompakten 3 x 5 x 1,6 mm kleinen QFN-Gehäusen bei bis zu 36VDC hohen Eingangsspannungen bis zu 1,5A liefern.
Fazit
Abwärtswandler haben sich über viele Jahrzehnte hinweg erheblich weiterentwickelt. Innovationen aus der Kondensator-, Induktor-, Steuer-IC- und Gehäusetechnologie ermöglichten eine Integration aller Komponenten in immer kleineren Gehäusen mit immer höherer Leistungsdichte. Das Ziel, DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch IC-ähnlich zu machen, wird jetzt weitgehend durch eine Kombination innovativer 3D Power Packaging- Technologien sowohl für isolierte als auch für nicht isolierte Wandler erreicht, wobei in Zukunft noch weitere Verbesserungen der Leistung und der Leistungsdichte erwartet werden. Für den allgemeinen Gebrauch als Module weisen die voll ausgestatteten Abwärtswandler allerdings die gleiche Größenordnung wie normale SMT-Bauteile auf und werden in der Endanwendung ebenso ihren Platz finden.
Ursprünglich waren S1 und S2 tatsächlich mechanische Schalter, aber diese wurden schnell durch Silizium ersetzt – S1 mit einem Transistor und S2 mit einer Diode.
Abbildung 1: Die Grundelemente eines Abwärtswandlers (Bildquelle: RECOM)
Schaltungen verändern sich mit dem technologischen Fortschritt
Im Laufe der Jahre wurden Anstrengungen unternommen, so viele Bauteile wie möglich in den Steuerschaltkreis zu integrieren, um die Kosten und die Größe zu reduzieren. Ein Durchbruch war, den Hauptschalter, S1, direkt im Controller IC zu integrieren, aber die Spule sowie die Diode waren immer noch extern anzubringen. Um den Wirkungsgrad noch zu erhöhen, wurden dann bei neueren Versionen beide Schalter (SW1 und SW2) mit MOSFETs ausgestattet, womit Schaltfrequenzen bis zu 2MHz möglich sind.
Abbildung 2: Die Entwicklung der Abwärtswandler-Integration (Bildquelle: RECOM)
Integration der Spule als Schlüssel zur Miniaturisierung
Nachdem die Umstellung auf MOSFETs geglückt war, galt es, einen weiteren Schritt hin zur Miniaturisierung zu gehen. Durch die immer höher werdenden Schaltfrequenzen war es nun möglich, die Spule in ihrer Bauform zu reduzieren. Die Amplituden der Ströme sanken, was Auswirkungen auf die Größe des Ausgangskondensators hatte. Die Verwendung von höherwertigen Kondensatoren mit geringerer Eigenerwärmung unterstützte diese Verbesserung noch zusätzlich.
Aktuell besteht das Ziel jedoch darin, die Designgrößen zu reduzieren und die Effizienz noch weiter zu steigern; dafür müssen die getakteten Stromkreise minimiert und die Komponenten auf der Z-Achse übereinander montiert werden.
Das einfachste Beispiel ist die Flip Chip on Leadframe (FCOL) Packaging-Technologie, bei welcher der Controller IC (mit integrierten Leistung-Transistoren) kopfüber direkt mit dem Leadframe-Stanzgitter verbunden ist, neben einer SMD-Drossel, die ebenfalls direkt am Leadframe angebracht ist (Abb. 3).
Abbildung 3: Flip Chip on Leadframe-Konstruktion
Diese Konstruktion ermöglicht eine vollautomatisierte Fertigung von sehr kompakten Abwärtswandler-Modulen. Die dadurch verkürzten Verbindungen der selbstabschirmenden Induktivität wirken sich zudem positiv auf das EMV-Verhalten aus. Auf diese Weise hergestellte Produkte können auch umgespritzt werden, wodurch ein bleifreies QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead) mit MSL3-Rating und vollem Umweltschutz entsteht. Ein Beispiel hierfür ist die RECOM RPX-Serie (Abbildung 4) mit einem von 1,2V bis 6V einstellbaren 2,5A-Ausgang in einem 4,5 x 4 x 2 mm kleinen Gehäuse, das lediglich externe Eingangs- und Ausgangskondensatoren benötigt.
Abbildung 4: Das POL-Modul des RECOM RPX-Abwärtswandlers mit integriertem Chip-Induktor und Flip Chip on Leadframe-Konstruktion (Bildquelle: RECOM)
Bei diesen Modulen handelt es sich um eine Komplettlösung, die mithilfe von Standard-SMD-Bestückungs- und Ofenlötprozessen auf die Leiterplatte des Anwenders montiert werden kann. RECOM hat kürzlich unter Anwendung dieser neuen Packaging-Techniken zwei weitere Leistungsmodule der RPX-Serie herausgebracht, die auf der FCOL-Technologie basieren: Die Module der Serien RPX-1.0 und RPX-1.5 können in ultrakompakten 3 x 5 x 1,6 mm kleinen QFN-Gehäusen bei bis zu 36VDC hohen Eingangsspannungen bis zu 1,5A liefern.
Fazit
Abwärtswandler haben sich über viele Jahrzehnte hinweg erheblich weiterentwickelt. Innovationen aus der Kondensator-, Induktor-, Steuer-IC- und Gehäusetechnologie ermöglichten eine Integration aller Komponenten in immer kleineren Gehäusen mit immer höherer Leistungsdichte. Das Ziel, DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch IC-ähnlich zu machen, wird jetzt weitgehend durch eine Kombination innovativer 3D Power Packaging- Technologien sowohl für isolierte als auch für nicht isolierte Wandler erreicht, wobei in Zukunft noch weitere Verbesserungen der Leistung und der Leistungsdichte erwartet werden. Für den allgemeinen Gebrauch als Module weisen die voll ausgestatteten Abwärtswandler allerdings die gleiche Größenordnung wie normale SMT-Bauteile auf und werden in der Endanwendung ebenso ihren Platz finden.
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Aufwärtswandler, Abwärtswandler und Auf-/Abwärtswandler – eine Einführung
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