Warum modulare SMD-Schaltregler die effizientere Lösung sind.
20.03.2019
Moderne Controller-Chips machen den diskreten Aufbau von Schaltreglern scheinbar zum Kinderspiel. Warum also sollte man für fertige Module mehr Geld ausgeben, anstatt das Controller-IC zusammen mit den empfohlenen externen Komponenten direkt auf der SMD-Platine zu platzieren. Die Antwort findet sich, wie so oft, im kleinen Unterschied zwischen Theorie und Praxis.
Auf den ersten Blick klingt es ganz logisch: Man platziere ein nur noch 2x2mm großes Controller-IC neuester Technologie zusammen mit den vom Hersteller empfohlenen Komponenten direkt auf der Platine und bekommt für wenig Geld einen voll funktionsfähigen Schaltregler - „all inklusive“ mit hohem Wirkungsgrad, niedrigem Ruhestrom und allen denkbaren Schutz- und Steuermechanismen. Zumindest in der Theorie. Denn wie so oft, steckt auch hier „der Teufel im Detail“.
Was bei dynamischer Belastung beachtet werden muss
Die vom Chip-Hersteller vorgeschlagenen Schaltungsbeispiele sind meist unter der etwas optimistischen Annahme einer überwiegend statischen Last konzipiert. Dem entsprechend kommen sie mit ein paar wenigen zusätzlichen Komponenten aus. In der Praxis aber sind statische Lasten eher die Ausnahme als die Regel. Lastwechsel im Verhältnis 1:1 Million sind keine Seltenheit – beispielsweise dann, wenn ein Mikrocontroller in den Schlafmodus schaltet.
Was aber bedeutet es für einen Schaltregler, wenn der Strombedarf seiner Last schlagartig von Ampere auf µA sinkt? Dann nämlich spielt es keine Rolle mehr, wie „intelligent“ das verbaute Controller-IC ist – dann gelten die Gesetze der Physik! Die während einer Halbwelle in der Induktivität gespeicherte Energie wird in der nächsten Halbwelle zur Last transferiert. Geht diese aber schlagartig gegen Null, bleibt nur der Weg in den „Energiespeicher“ - die Ausgangskapazität. Nach der Formel
führt die überschüssige Energie dort zu einem schnellen Spannungsanstieg. Zunächst fährt der Controller die „On-Time“ gegen Null. Ist dann noch ein Rest von Energie in der Induktivität, kann die Ausgangsspannung nicht mehr korrekt geregelt werden. Für ein Design mit niedriger Ausgangsspannung kann sich diese sogar verdoppeln, sofern die Kapazität nicht wesentlich höher ist als die Empfehlung aus dem Datenblatt.
Wer diese Problematik in den Griff bekommen möchte, muss einen wesentlich größeren Aufwand treiben. Ein wirklich gutes Design, wie in der neuen RPM-Serie von RECOM, ist der Ausgang mit 6 parallel geschalteten Kondensatoren gepuffert (Abb.1) – wesentlich mehr, als vom Chiphersteller empfohlen. Die Parallelschaltung mehrerer kleiner Keramik-Kondensatoren hat eine wesentlich größere Oberfläche als ein einzelner großer. Damit sind sie in der Lage, mehr Wärme aus dem IC und den Induktivitäten in die GND-Plane abzuleiten. Außerdem haben sie noch den Vorteil eines geringeren ESR.
Abb.1: Die nur 1,5cm2 große Platine der RPM-Module ist am Ausgang mit 6 parallel geschalteten Kondensatoren bestückt, um auch extreme Lastwechsel meistern zu können.
Wie EMV-Kompatibilität verbessert wird
Lassen sich die zuvor beschriebenen, schaltungstechnischen Klippen bei diskreten Designs mit entsprechendem Mehraufwand umschiffen, landet man in Sachen EMV-Kompatibilität schnell in einer Grauzone. Denn die Performance eines Filters hängt nicht nur vom Controller-IC selbst ab, sondern ganz entscheidend auch vom Layout der Platine. Deshalb publizieren IC-Hersteller in der Regel keine verlässlichen Vorschläge. Da der Anwender wenig über die Interaktion zwischen IC und PCB weiß, kann er im Voraus kaum wissen, ob seine Schaltung den EMV-Test besteht.
Abb.2.: Die Module der RPM-Familie entsprechen dem DOSA 2nd Generation High Density Format. Sie sind dank Metallgehäuse und GND-Plane auf 6 Seiten geschirmt.
Dieser Aspekt wird in dem Maße kritischer, in dem die Schaltfrequenzen steigen. Dies geschieht mit dem Ziel, die Größe der Induktivitäten zu reduzieren. Von „Herrn Fourier“ haben wir gelernt, dass jedes Rechtecksignal in eine Serie von Sinusschwingungen höherer Frequenzen zerlegt werden kann. Je höher die Schaltfrequenz, desto mehr steigt die Zahl der Harmonischen und damit die Wahrscheinlichkeit, dass eine oder mehrere davon eine Resonanz bilden mit den in der Platine „versteckten“ Induktivitäten und Kapazitäten.
Ein fertiges Modul dagegen ist eine zertifiziertes Bauteil, das hinsichtlich EMV-Kompatibilität optimiert ist. RECOM’s RPM-Serie beispielsweise verfügt über eine 4-Layer Platine, deren unterste Schicht zusammen mit dem Metallgehäuse eine nach sechs Seiten abgeschirmte Einheit bildet (Abb.2). Entsprechend gut ist die EMV-Kompatibilität. Im Datenblatt finden sich Angaben über einfache, im eigenen EMV-Labor erprobte SMD-Ferritperlen, mit denen Class A- oder B-Compliance zuverlässig erreicht wird (Abb. 3). Je nach Güte der primären Stromversorgung und der Distanz zwischen Last und Modul kann auf diese sogar ganz verzichtet werden.
Abb.3: EMV Messung abgestrahlt vom RPM5.0-6.0 mit den im Datenblatt empfohlenen, externen Filterkomponenten für Class B.
Gutes Wärmemanagement erfordert 4-Layer-Board
Auch wer glaubt, die bislang beschriebenen „Hürden“ mühelos meistern zu können, steht bei der Realisierung diskreter Designs vor einem weiteren Problem. Aufgrund der geringen Größe moderner Controller-ICs wird das Abführen der Wärme zu einer echten Herausforderung. Für die zulässige Umgebungstemperatur eines Designs und für dessen Lebenserwartung ist aber ganz entscheidend, wie gut dies gelingt.
Als zielführend hat sich der Einsatz von 4-Layer Boards erwiesen. Dabei kann die GND-Plane als Kühlfläche genutzt werden. Spätestens dann, wenn für die übrige Schaltung zwei Layer ausreichen würden, ist es wirtschaftlicher, fertige Module einzusetzen. Module wie die RPM-Familie - bei der das Thema Wärmemanagement vorbildlich geregelt ist.
Im Entwicklungslabor bei RECOM in Gmunden hat man viele Monate an einer optimalen Lösung getüftelt, um das „elektronisch“ beste Design mit dem „thermisch“ besten zu kombinieren. In der nur etwa 12x12mm großen Platine steckt jede Menge Know How.
Die neue RPM Familie hat ein ausgeklügeltes thermisches Design mit unterschiedlichen, als „Heat Pipe“ gestalteten Vias. Diese Technologie ist relativ kostenintensiv, sorgt aber dafür, die Wärme der BGA-ICs und der passiven Bauteile homogen an das Metallgehäuse und an die GND-Plane abführen.
Das Resultat ist Weltspitze: RPM-Module arbeiten bei Umgebungstemperaturen bis 105°C ohne Derating mit Kühlung nur über Gehäuse und GND Plane. Das leistungsstärkste Modul liefert dabei Ströme bis 6A und erreicht mit >50W/cm3 eine um 50% höhere Leistungsdichte als vergleichbare Module.
Weitere technische Details
Bei der RPM-Serie handelt es sich um nicht isolierte SMD-Schaltregler-Module nach dem neuesten Stand der Technik. Momentan sind Versionen mit wahlweise 3.3V und 5V am Ausgang und Strömen von 1, 2, 3 und 6A lieferbar. Durch externe Widerstände lassen sich, sofern erforderlich, beliebige Ausgangspannungen zwischen 0.9V und 6.0V einstellen. Die ultra-flachen Module zeichnen sich durch einen extrem hohen Wirkungsgrad aus, der je nach Modell in der Spitze Werte zwischen 97 und 99% erreicht. Die Module sind so konzipiert, dass die Spitzenwerte insbesondere auch im unteren Lastbereich zwischen 5 und 20% Volllast erreicht werden (Abb.4).
Abb.4: Der Wirkungsgrad der neuen Schaltregler erreicht in den für die Praxis wichtigen unteren Lastbereichen seine Maximalwerte – in der Spitze bis 99%!
Entsprechend hoch ist die maximal zulässige Umgebungstemperatur, die bei der 1A-Version ohne externe Kühlung -mit +107°C spezifiziert ist. Zusätzlich sind die neuen Schaltregler-Module mit Features wie Soft Start, Sequencing und Output VoltageTracking ausgestattet. Die RPM-Serie wird vollautomatisch in Europa gefertigt und ist über die bekannten Distributionskanäle lieferbar. Der Preis für das leistungsstärkste Modul liegt je nach Stückzahl um 4€.
Evaluation Boards für schnelleres Prototyping
Der Einsatz modularer DC/DC-Wandler hat gegenüber diskret aufgebauten den Vorteil, direkt mit der Entwicklung von Prototypen beginnen zu können. Solange die Module noch „Beinchen“ hatten, war das problemlos möglich. Bei der RPM-Serie mit ihren 25 nur ca. 1mm2 großen Löt-Pads ist dies nicht mehr ganz unproblematisch. Deshalb hat RECOM spezielle Evaluation-Boards entwickelt, die die Entwicklung von Prototypen erleichtern. Ohne löten zu müssen lassen sich alle Funktionen des Schaltreglers erproben bis hin zu eventuell erforderlichen, externen Filterkomponenten.
Fazit
Auch wenn nicht isolierte Schaltregler dank hoch integrierter Controller-ICs scheinbar einfach zu realisieren sind, macht der Einsatz fertiger Module in vielen Fällen Sinn. So beschleunigen Module nicht nur die Entwicklung von Prototypen – sie reduzieren auch erheblich das Risiko missglückter EMV-Tests. Hinzu kommt, dass in der BOM nur ein einziges Bauteil auftaucht, anstelle einer Reihe von diskreten Komponenten mit teilweise sehr unterschiedlichen Lieferzeiten. Last but not least ist die korrekte Positionierung des nur 2mm2 kleinen Controller-Chips auf der Kundenplatine nicht ganz unproblematisch. Insbesondere dann, wenn sehr viel größere Komponenten in der Nähe positioniert sind.
RECOM: We Power your Products
Was bei dynamischer Belastung beachtet werden muss
Die vom Chip-Hersteller vorgeschlagenen Schaltungsbeispiele sind meist unter der etwas optimistischen Annahme einer überwiegend statischen Last konzipiert. Dem entsprechend kommen sie mit ein paar wenigen zusätzlichen Komponenten aus. In der Praxis aber sind statische Lasten eher die Ausnahme als die Regel. Lastwechsel im Verhältnis 1:1 Million sind keine Seltenheit – beispielsweise dann, wenn ein Mikrocontroller in den Schlafmodus schaltet.
Was aber bedeutet es für einen Schaltregler, wenn der Strombedarf seiner Last schlagartig von Ampere auf µA sinkt? Dann nämlich spielt es keine Rolle mehr, wie „intelligent“ das verbaute Controller-IC ist – dann gelten die Gesetze der Physik! Die während einer Halbwelle in der Induktivität gespeicherte Energie wird in der nächsten Halbwelle zur Last transferiert. Geht diese aber schlagartig gegen Null, bleibt nur der Weg in den „Energiespeicher“ - die Ausgangskapazität. Nach der Formel
führt die überschüssige Energie dort zu einem schnellen Spannungsanstieg. Zunächst fährt der Controller die „On-Time“ gegen Null. Ist dann noch ein Rest von Energie in der Induktivität, kann die Ausgangsspannung nicht mehr korrekt geregelt werden. Für ein Design mit niedriger Ausgangsspannung kann sich diese sogar verdoppeln, sofern die Kapazität nicht wesentlich höher ist als die Empfehlung aus dem Datenblatt.
Wer diese Problematik in den Griff bekommen möchte, muss einen wesentlich größeren Aufwand treiben. Ein wirklich gutes Design, wie in der neuen RPM-Serie von RECOM, ist der Ausgang mit 6 parallel geschalteten Kondensatoren gepuffert (Abb.1) – wesentlich mehr, als vom Chiphersteller empfohlen. Die Parallelschaltung mehrerer kleiner Keramik-Kondensatoren hat eine wesentlich größere Oberfläche als ein einzelner großer. Damit sind sie in der Lage, mehr Wärme aus dem IC und den Induktivitäten in die GND-Plane abzuleiten. Außerdem haben sie noch den Vorteil eines geringeren ESR.
Abb.1: Die nur 1,5cm2 große Platine der RPM-Module ist am Ausgang mit 6 parallel geschalteten Kondensatoren bestückt, um auch extreme Lastwechsel meistern zu können.
Wie EMV-Kompatibilität verbessert wird
Lassen sich die zuvor beschriebenen, schaltungstechnischen Klippen bei diskreten Designs mit entsprechendem Mehraufwand umschiffen, landet man in Sachen EMV-Kompatibilität schnell in einer Grauzone. Denn die Performance eines Filters hängt nicht nur vom Controller-IC selbst ab, sondern ganz entscheidend auch vom Layout der Platine. Deshalb publizieren IC-Hersteller in der Regel keine verlässlichen Vorschläge. Da der Anwender wenig über die Interaktion zwischen IC und PCB weiß, kann er im Voraus kaum wissen, ob seine Schaltung den EMV-Test besteht.
Abb.2.: Die Module der RPM-Familie entsprechen dem DOSA 2nd Generation High Density Format. Sie sind dank Metallgehäuse und GND-Plane auf 6 Seiten geschirmt.
Dieser Aspekt wird in dem Maße kritischer, in dem die Schaltfrequenzen steigen. Dies geschieht mit dem Ziel, die Größe der Induktivitäten zu reduzieren. Von „Herrn Fourier“ haben wir gelernt, dass jedes Rechtecksignal in eine Serie von Sinusschwingungen höherer Frequenzen zerlegt werden kann. Je höher die Schaltfrequenz, desto mehr steigt die Zahl der Harmonischen und damit die Wahrscheinlichkeit, dass eine oder mehrere davon eine Resonanz bilden mit den in der Platine „versteckten“ Induktivitäten und Kapazitäten.
Ein fertiges Modul dagegen ist eine zertifiziertes Bauteil, das hinsichtlich EMV-Kompatibilität optimiert ist. RECOM’s RPM-Serie beispielsweise verfügt über eine 4-Layer Platine, deren unterste Schicht zusammen mit dem Metallgehäuse eine nach sechs Seiten abgeschirmte Einheit bildet (Abb.2). Entsprechend gut ist die EMV-Kompatibilität. Im Datenblatt finden sich Angaben über einfache, im eigenen EMV-Labor erprobte SMD-Ferritperlen, mit denen Class A- oder B-Compliance zuverlässig erreicht wird (Abb. 3). Je nach Güte der primären Stromversorgung und der Distanz zwischen Last und Modul kann auf diese sogar ganz verzichtet werden.
Abb.3: EMV Messung abgestrahlt vom RPM5.0-6.0 mit den im Datenblatt empfohlenen, externen Filterkomponenten für Class B.
Gutes Wärmemanagement erfordert 4-Layer-Board
Auch wer glaubt, die bislang beschriebenen „Hürden“ mühelos meistern zu können, steht bei der Realisierung diskreter Designs vor einem weiteren Problem. Aufgrund der geringen Größe moderner Controller-ICs wird das Abführen der Wärme zu einer echten Herausforderung. Für die zulässige Umgebungstemperatur eines Designs und für dessen Lebenserwartung ist aber ganz entscheidend, wie gut dies gelingt.
Als zielführend hat sich der Einsatz von 4-Layer Boards erwiesen. Dabei kann die GND-Plane als Kühlfläche genutzt werden. Spätestens dann, wenn für die übrige Schaltung zwei Layer ausreichen würden, ist es wirtschaftlicher, fertige Module einzusetzen. Module wie die RPM-Familie - bei der das Thema Wärmemanagement vorbildlich geregelt ist.
Im Entwicklungslabor bei RECOM in Gmunden hat man viele Monate an einer optimalen Lösung getüftelt, um das „elektronisch“ beste Design mit dem „thermisch“ besten zu kombinieren. In der nur etwa 12x12mm großen Platine steckt jede Menge Know How.
Die neue RPM Familie hat ein ausgeklügeltes thermisches Design mit unterschiedlichen, als „Heat Pipe“ gestalteten Vias. Diese Technologie ist relativ kostenintensiv, sorgt aber dafür, die Wärme der BGA-ICs und der passiven Bauteile homogen an das Metallgehäuse und an die GND-Plane abführen.
Das Resultat ist Weltspitze: RPM-Module arbeiten bei Umgebungstemperaturen bis 105°C ohne Derating mit Kühlung nur über Gehäuse und GND Plane. Das leistungsstärkste Modul liefert dabei Ströme bis 6A und erreicht mit >50W/cm3 eine um 50% höhere Leistungsdichte als vergleichbare Module.
Weitere technische Details
Bei der RPM-Serie handelt es sich um nicht isolierte SMD-Schaltregler-Module nach dem neuesten Stand der Technik. Momentan sind Versionen mit wahlweise 3.3V und 5V am Ausgang und Strömen von 1, 2, 3 und 6A lieferbar. Durch externe Widerstände lassen sich, sofern erforderlich, beliebige Ausgangspannungen zwischen 0.9V und 6.0V einstellen. Die ultra-flachen Module zeichnen sich durch einen extrem hohen Wirkungsgrad aus, der je nach Modell in der Spitze Werte zwischen 97 und 99% erreicht. Die Module sind so konzipiert, dass die Spitzenwerte insbesondere auch im unteren Lastbereich zwischen 5 und 20% Volllast erreicht werden (Abb.4).
Abb.4: Der Wirkungsgrad der neuen Schaltregler erreicht in den für die Praxis wichtigen unteren Lastbereichen seine Maximalwerte – in der Spitze bis 99%!
Entsprechend hoch ist die maximal zulässige Umgebungstemperatur, die bei der 1A-Version ohne externe Kühlung -mit +107°C spezifiziert ist. Zusätzlich sind die neuen Schaltregler-Module mit Features wie Soft Start, Sequencing und Output VoltageTracking ausgestattet. Die RPM-Serie wird vollautomatisch in Europa gefertigt und ist über die bekannten Distributionskanäle lieferbar. Der Preis für das leistungsstärkste Modul liegt je nach Stückzahl um 4€.
Evaluation Boards für schnelleres Prototyping
Der Einsatz modularer DC/DC-Wandler hat gegenüber diskret aufgebauten den Vorteil, direkt mit der Entwicklung von Prototypen beginnen zu können. Solange die Module noch „Beinchen“ hatten, war das problemlos möglich. Bei der RPM-Serie mit ihren 25 nur ca. 1mm2 großen Löt-Pads ist dies nicht mehr ganz unproblematisch. Deshalb hat RECOM spezielle Evaluation-Boards entwickelt, die die Entwicklung von Prototypen erleichtern. Ohne löten zu müssen lassen sich alle Funktionen des Schaltreglers erproben bis hin zu eventuell erforderlichen, externen Filterkomponenten.
Fazit
Auch wenn nicht isolierte Schaltregler dank hoch integrierter Controller-ICs scheinbar einfach zu realisieren sind, macht der Einsatz fertiger Module in vielen Fällen Sinn. So beschleunigen Module nicht nur die Entwicklung von Prototypen – sie reduzieren auch erheblich das Risiko missglückter EMV-Tests. Hinzu kommt, dass in der BOM nur ein einziges Bauteil auftaucht, anstelle einer Reihe von diskreten Komponenten mit teilweise sehr unterschiedlichen Lieferzeiten. Last but not least ist die korrekte Positionierung des nur 2mm2 kleinen Controller-Chips auf der Kundenplatine nicht ganz unproblematisch. Insbesondere dann, wenn sehr viel größere Komponenten in der Nähe positioniert sind.
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