Powermodul versus Eigenbau

Nicht isolierte Schaltregler waren lange Zeit das Zugpferd für die effiziente Umwandlung in niedrigere oder höhere Spannungen – entweder direkt für die Last oder als Teil einer verteilten Stromversorgungsarchitektur. Die ersten Entwürfe aus den 1950er Jahren verwendeten Vakuumröhren und zeigten immense Verbesserungen der Umwandlungseffizienz im Vergleich zum alternativen Ansatz des linearen Reglers und eröffneten auch die Möglichkeit, Gleichspannungen zu verstärken, die bisher nur mit unhandlichen mechanischen Vibratoren möglich waren. Erst in den 1970er Jahren erschien der erste IC-Controller für Schaltnetzteile: der Silicon General SG1524, der die Spannungssteuerung verwendete. Der Erfolg dieses Geräts hat den Weg für Alternativen geebnet, bei denen verschiedene Steuerungs- und Umwandlungstechniken zum Einsatz kamen. Im Laufe der Jahrzehnte kamen und gingen Bipolartransistorversionen, die fast gänzlich durch MOSFETs ersetzt wurden. Dioden machten auch Synchrongleichrichtern Platz, die ebenfalls MOSFETs verwenden, und jetzt sind sogar Si-FETs durch Materialien mit großer Bandlücke wie SiC und GaN bedroht.

Ein Maß für die Entwicklung des Schaltreglers ist seine Umwandlungseffizienz – im Laufe der Jahre stiegen die Werte in den neuesten Konstruktionen stetig von 80 % auf 97 % und höher. Ein höherer Wirkungsgrad ermöglicht eine höhere Leistungsdichte, gemessen in Watt/cm3, die angibt, wie viel Leistung von einem bestimmten Volumen von Komponenten in der Konstruktion geliefert werden kann. Die Behauptung einer immer höheren Leistungsdichte hat in den Datenblättern eine gewisse Kreativität bewiesen: So wurden beispielsweise Zahlen für einige IC-Regler ohne alle erforderlichen externen Komponenten – insbesondere die sperrigen Induktivitäten und Kondensatoren – veröffentlicht. Oft ist auch die Kühlung ein Problem, da eine sehr hohe Leistungsdichte nur mit unrealistischen Luftdurchsätzen oder einer übermäßig komplizierten Wasserkühlung erreicht werden kann. Wichtig ist auch der Betriebstemperaturbereich der Umgebung, nicht nur die Kühlkörpertemperatur – wenn das Teil über einer bestimmten Raumtemperatur stark zu deraten ist, verringert dies direkt die Nutzleistung.

Geschichte zum Stand der Technik bei Schaltreglern

Die Geschichte der Entwicklung von nicht isolierten Schaltreglern zeichnet sich durch eine kontinuierliche Komponentenintegration mit erhöhter Effizienz und Funktionalität aus. Dies ist auf die sinkende Ausgangsspannung zurückzuführen, da die Lastanforderungen von 5V auf 3,3V auf jetzige Werte unter 1V gesunken sind. Sowohl die Eingangsspannungen als auch die Systemleistungspegel haben zugenommen, was höhere Busspannungen mit der Folge einer geringeren Stromaufnahme erforderlich macht. Mit IC-Controllern, die die Schalttransistoren und in jüngerer Zeit auch die Magnetics integriert haben, wurde das Design diskreter Komponenten vereinfacht. Peripheriefunktionen wie Fehlerüberwachung, Stromaufteilung, Synchronisation und Sequenzierung wurden zunehmend in das IC-Design integriert.

Bereits seit den Anfängen der Entwicklung von Schaltreglern sind komplette, verpackte Umrichtermodule von Anbietern erhältlich, die bewährte Lösungen bieten und den Kunden den Aufwand und das Risiko ersparen, ihre eigenen zu entwickeln. Dieser Verkauf gestaltete sich manchmal jedoch als schwierig, da erfahrene Ingenieure nicht bereit waren, für etwas, das sie selbst entwerfen konnten, eine Prämie zu zahlen. Sogar die Entwicklungszeit und das Risiko, die mit der Herstellung eines eigenen Designs einhergehen, könnten bei einem Produkt toleriert werden, das sich über Jahre gut verkauft und die F&E-Kosten um ein Vielfaches bezahlt macht. Man war auch stolz darauf, ein Schaltnetzteil von Grund auf neu entwerfen zu können.

Die heutige Situation ist anders. Das Know-how im Bereich Power Design geht den OEMs verloren und die Techniken, die für die Erzielung der optimalen Leistung erforderlich sind, können sehr spezialisiert sein. Dazu gehören Prozesse, die selbst einem OEM möglicherweise nicht zur Verfügung stehen, wie das Formen von Ferritmaterialien. Die Produktlebenszyklen sind auch viel kürzer, was bedeutet, dass Entwicklungskosten und Verzögerungen aufgrund von Designoptimierungen oder wiederholten EMV-Tests den ROI stärker beeinflussen (Abbildung 1).



Natürlich stellen die Hersteller von Steuerungs-ICs umfangreiche Anwendungsinformationen zur Verfügung, wodurch das Design einfach erscheint; aber diese vereinfachten Designtools können die tatsächlichen Schaltungsanforderungen nicht vorhersagen. Beispielsweise ist die vorgeschlagene Ausgangskapazität für reale dynamische Lasten, die zwischen aktivem und Ruhezustand um den Faktor 10^6 schwanken und unannehmbare Spannungssprünge hervorrufen können, häufig viel zu niedrig (Abbildung 2).



Induktivitäten werden in Anwendungshinweisen häufig „beschönigt“, wobei empfohlene Teile eher für die beste Leistung als für Preis und Zweckmäßigkeit ausgewählt werden. In der Realität kann die Auswahl eines optimalen Induktors viele Wochen dauern, um die Leistung im Hinblick auf Temperatur, Frequenz und Laststrom – statisch und dynamisch – zu bewerten. Andere Parameter wie die Sättigungseigenschaften des Induktors und das Streufeld können bei der Auslegung von entscheidender Bedeutung sein. Die EMV-Leistung eines fertigen Designs ist die „große Unbekannte“, bis die Schaltung auf der Endplatine angeordnet ist und die endgültige Auswahl der Komponenten getroffen wurde, wenn Änderungen kostspielig sind.

Ähnlich verhält es sich mit Kondensatoren, bei denen die für Leistung und Kosten optimalen Teile komplex sind, um wichtige Informationen wie die Selbstinduktivität zu bewerten, die in den Datenblättern häufig nicht ausreichend dokumentiert sind.

Hochmoderne Schaltreglerkonstruktionen erzielen ihre hohe Leistungsdichte mit Steuer-ICs, die häufig BGA-Gehäuse sind, die mit einer Matrix von Pads einen winzigen Abstand von 0,4mm haben und nur 2mm x 2mm groß sein können. Dies ist möglicherweise nicht mit dem PCB-Bestückungsprozess eines Benutzers kompatibel, da eine präzise Lötpastenapplikation mit teurer Röntgenbildgebung zur Überprüfung auf Kurzschlüsse oder schlechte Verbindungen erforderlich ist. In ähnlicher Weise benötigt ein Wandlersteuerungs-IC möglicherweise eine komplexe Mehrschicht-PCB mit gefüllten und vergrabenen Durchkontaktierungen, die zu Masseebenen führen, um die Wärme aus dem Gehäuse effizient auf die Leiterplatte zu verteilen. Wenn der Benutzer diese Platinenkomplexität nicht für andere Schaltungen benötigt, werden die Kosten für die Leiterplattenherstellung reduziert.

Neueste Schaltregler sind vielseitig einsetzbar

Man könnte vielleicht auch argumentieren, dass Leistungsmodule Allzweckprodukte sein müssen und nicht die beste Lösung für nur eine Anwendung darstellen, aber die neuesten Generationen erzielen eine hohe Leistung über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen. Die RPMH-Serie von RECOM zum Beispiel ist ein 0,5A-Teil mit einem Eingangsbereich von bis zu 65V und einem zwischen 2,5V und 28 V trimmbaren Ausgang – all dies in einem Gehäuse mit 12,19mm x 12,19mm x 3,75mm EMI-Abschirmung, das ohne erzwungene Luftkühlung bis zu 105°C betrieben werden kann (Abbildung 3); bei höheren Strömen bis zu 3A. Die RPMB-Serie des Unternehmens im selben Gehäuse kann mit bis zu 36V Eingangsspannung betrieben werden. Die Ausgangsspannung kann von 1V auf 24V eingestellt werden. Es ist auch ein 6A-Teil erhältlich, die RPM-Serie mit geringerer maximaler Eingangsleistung, ebenfalls in derselben Baugröße.



Aufgrund der starken Integration in diese Modultypen entstehen nur geringe Herstellungskosten, um eine umfassende Reihe von Steuerungs- und Überwachungsfunktionen wie Ein-/Ausschalten, Fernerkundung, Fernabgleich, Sanftanlauf, stromsparende Signalisierung und Stromsequenzierung hinzuzufügen. Die Module sind standardmäßig gegen Unterspannung, Kurzschlüsse, Überströme und Übertemperatur geschützt. Es versteht sich von selbst, dass Anwendungen unter verschiedenen Schlaf- oder Volllastbedingungen von nahezu null Stromaufnahme bis zum Nennmaximum betrieben werden können, sodass Module häufig Funktionen zur Minimierung des Stromverbrauchs bei geringer Last und zur Maximierung der Effizienz mit Techniken wie Phasenausgleich in Mehrphasen-Wandlertopologien enthalten.

Für die höchste Leistungsdichte verwenden Module fortschrittliche Produktionstechniken wie die Flip-Chip-on-Leadframe-Technologie mit Überformung. Das RECOM RPX-Produkt (Abbildung 4) ist ein Beispiel für die Erzielung einer Nennleistung von 2,5A in einem QFN-Gehäuse mit den Abmessungen 4,5mm x 4mm x 2mm, wobei einige Teile für den Bereich bis 95°C Umgebungstemperatur bei Volllast ohne Beströmung ausgelegt sind. Die RPX-Serie ist ein Beispiel für ein Teil, das externe Kondensatoren benötigt, um den Spezifikationen zu entsprechen. Dies kann die Gesamtleistungsdichte tatsächlich unterstützen, da beispielsweise Eingangskondensatoren bereits an den Versorgungs- und Ausgangskondensatoren vorhanden sein können, die für die genaue erforderliche Spannungsnennleistung ausgewählt werden können. Wenn diese intern wären, müssten sie überdimensioniert und auf die maximal mögliche hochgeregelte Spannung ausgelegt werden.



On-Board Regler müssen häufig in der Lage sein, die Spannung sowohl zu erhöhen als auch zu senken. Eine typische Anwendung sind batteriebetriebene Geräte, bei denen die Stromversorgung so lange wie möglich aufrechterhalten werden muss, bis sich die Batterie entlädt. Für eine positive Ausgangsspannung eines positiven Eingangs war die herkömmliche Lösung ein SEPIC-, ZETA- oder Cuk-Wandler, der alle zwei Magnetelemente und komplexe Regelkreise benötigte. Dank ihres Integrationsgrades können modulare Wandler kostengünstig eine andere Topologie implementieren, beispielsweise die Buck-Boost-Schaltung mit vier Schaltern, bei der es sich praktisch um eine Reihe von MOSFETs handelt, die als Schalter oder Dioden konfiguriert werden können, um nahtlos zwischen Buck- und Boost-Modus zu schalten. Die RECOM RBB-Serie ist ein Beispiel mit einer Nennleistung von bis zu 3A in einem LGA-Gehäuse und sogar einem 3kW-Teil in einem Half-Brick-Format mit 9V- bis 60V-Eingang und 0V- bis 60V-Ausgang. Typische Anwendungen für dieses Teil sind 48V- bis 24V- oder 12V- bis 24V-Batteriewandlung, Elektrofahrzeuge, Batteriespannungsstabilisatoren oder Hochleistungslabor-Gleichstromversorgungen.

Die Entscheidung zwischen Modul und DIY ist jetzt einfacher

Die Beschaffung eines Schaltreglermoduls, das alle Prozesse und Designtechniken für eine optimale Leistung umfasst, kann dem Benutzer Zeit und Geld sparen, aber gleichzeitig die Produktentwicklung gefährden. Hinzu kommt die Einsparung bei der Lieferanten- und Bestandsverwaltung – Beschaffung, Lagerung und Handhabung von möglicherweise nur einer Komponente im Vergleich zu vielen von unterschiedlichen Lieferanten, möglicherweise sogar einschließlich eines benutzerdefinierten Magnetteils, wenn die beste Leistung erforderlich ist. Einsparungen ergeben sich auch bei der SMD-Bestückungszeit, bei den Tests und ggf. bei den behördlichen Genehmigungen. Bedenken hinsichtlich der Zweitbeschaffung werden auch mit Modulen entkräftet, die zunehmend den Industriestandards für Funktionalität und Pinning entsprechen, wie z. B. DOSA. Wenn die Gesamtbetriebskosten berechnet werden, kann eine modulare Lösung von Unternehmen wie RECOM der klare Gewinner sein – wir haben die Arbeit erledigt, Sie müssen es also nicht mehr tun!

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