Herausforderungen bei der Entwicklung von DC/DC-Schaltreglern für höhere Spannungen

Aufgrund der Marktnachfrage nach SMD-Leistungsmodulen (Surface-Mount Device) hat RECOM die RPM-Familie kompakter, flacher SMD-Schaltregler entwickelt. Das RPM-Konzept liefert voll funktionsfähige Stromversorgungsmodule mit dem Schaltregler-Controller-IC, der Leistungsinduktivität, den Spannungseinstellwiderständen und den Eingangs- und Ausgangskondensatoren in einem eigenständigen Bauteil, und das alles in einem standardisierten, flachen Metallgehäuse mit einer DOSA-kompatiblen Pin-Belegung. Diese Familie von fünf verschiedenen Niederspannungsprodukten (RPMxx-1.0, RPMxx-2.0, RPMxx-3.0, RPMxx-6.0 and RBB10-2.0) wurde um drei weitere Serien für höhere Spannungen erweitert, um die erhöhten Eingangs- und Ausgangsspannungen zu bewältigen (RPMBxx-2.0, RPMBxx-3.0 and RPMHxx-0.5), ohne von den ursprünglichen Abmessungen abzuweichen, was ein einfaches Upgrade der bestehenden Designs ermöglicht.

Die neuen Produktreihen RPMH und RPMB sind nicht nur Modifikationen der bestehenden RPM-Produktreihe. Obwohl sie äußerlich identisch aussehen, sind sie intern unterschiedlich. In diesem White Paper werden einige der Design- und Komponentenentscheidungen untersucht, die erforderlich sind, um höhere Eingangsspannungen von bis zu 36VDC bzw. 65VDC und höhere Ausgänge von bis zu 24VDC und bis zu 3A Laststrom zu bewältigen.

Schaltregler sind seit Langem das Arbeitspferd für die effiziente Umwandlung von Gleichstromschienen in niedrigere oder höhere Spannungen, entweder direkt für die Last oder als Teil einer verteilten Leistungsarchitektur. Die ersten Designs aus den 1950er Jahren verwendeten Vakuumröhren und zeigten dramatische Verbesserungen des Umwandlungswirkungsgrads im Vergleich zum alternativen „Linearregler“-Ansatz und eröffneten auch die Möglichkeit, die Gleichspannungen zu erhöhen, was zuvor nur mit unhandlichen mechanischen „Vibratoren“ möglich war. Erst in den 1970er Jahren erschien der erste Schaltnetzteil-IC-Controller, der Silicon General SG1524, der eine „Voltage Mode“-Steuerung verwendete.

Der Erfolg dieses Geräts öffnete die Tore für Alternativen mit unterschiedlichen Steuerungs- und Umwandlungstechniken. Heute gibt es viele alternative Topologien und Steuerungsmethoden; von „synchron vs. asynchron“, „minimale Einschaltzeit vs. minimale Ausschaltzeit“, „gemittelte vs. zyklusweise Stromsteuerung“ oder „Festfrequenz vs. variable Frequenz“ mit Puls-Skipping für leichte Lasten, das sind nur einige Beispiele. Obwohl jede Topologie ihre eigenen Vor- und Nachteile hat, ist die Auswahl und Spezifikation der Hauptkomponenten der Leistungsstufe, d. h. des Schalttransistors, der Induktivität und des Ausgangskondensators, oft der Schlüssel zum Erreichen der optimalen Leistung und der geringstmöglichen Verluste unter allen Betriebsbedingungen.

Ein Maß für die Entwicklung des Schaltreglers ist sein Umwandlungswirkungsgrad - im Laufe der Jahre sind die Zahlen stetig von etwa 70-80% auf 97% und bei den neuesten Designs sogar noch höher gestiegen. Ein höherer Wirkungsgrad ermöglicht eine höhere Leistungsdichte, die in Watt/Volumen gemessen wird und angibt, wie viel Leistung bei einer bestimmten Größe abgegeben werden kann, ohne dass der Wandler überhitzt. Ein großer Teil dieser Verbesserung der Leistungsdichte ist auf die zunehmende Integration zurückzuführen; die Schalttransistoren mit niedrigem RDS(ON) sind in der Regel zusammen mit dem Controller im selben Gehäuse integriert, und auch die Induktivität ist zunehmend an Bord. Peripheriefunktionen wie Fehlerüberwachung, Stromaufteilung, Synchronisation und Sequenzierung wurden ebenfalls zunehmend in das Design des Controller-ICs integriert. Darüber hinaus steigen die Schaltfrequenzen von einigen hundert Kilohertz auf 1 MHz oder mehr. Die Erhöhung der Schaltfrequenz ermöglicht die Verwendung kleinerer Komponenten, allerdings auf Kosten einer höheren Verlustleistung und eines höheren EMI-Niveaus. Die Herausforderung besteht darin, ein optimales Gleichgewicht zwischen der physischen Größe, der thermischen Leistung und den Kosten für EMV-Filter zu finden.

Der RPMBxx-2.0 und der RPMBxx-3.0 sind höhere Spannungsversionen des RPMxx-2.0 bzw. RPMxx-3.0. Die Dauereingangsspannung kann bis zu 36VDC betragen und kurze Ausschläge bis zu 38VDC sind zulässig, ohne den Schaltregler dauerhaft zu beschädigen. Dieser Eingangsspannungsbereich ermöglicht die Verwendung gängiger 24-VDC-Industrie-Busspannungen, wobei Überspannungen und Spannungsspitzen bis zu 150% zulässig sind - ein Umstand, der manchmal in schweren Industrieanlagen mit langen Kabelwegen auftreten kann. Dieser Eingangsspannungsbereich ermöglicht auch die Verwendung eines ungeregelten 24-V-Batterie-Backup-Systems, um das System während eines Stromausfalls in Betrieb zu halten.

Ein höherer Eingangsspannungsbereich ermöglicht auch eine höhere Ausgangsspannung. Die RPM-Serie ist auf einen nominalen 3,3V- oder 5V-Ausgang beschränkt, der von 0,9V bis zu 6V einstellbar ist, was ein praktischer Bereich für nominale 12V-Versorgungsspannung ist. Mit einem Eingangsspannungsbereich von bis zu 36V bietet die RPMB-Serie jedoch auch voreingestellte 12V- oder 15V-Ausgänge, die bis zu 9V oder bis zu 24V einstellbar sind, sowie voreingestellte 3,3V- oder 5V-Ausgänge, die bis zu 1V oder bis zu 9V einstellbar sind. Damit ist die RPMB-Serie von Haus aus vielseitiger als ihre Vorgänger. Die 3,3V-Version kann beispielsweise mit 5V-, 12V-, 24V- oder 36V-Versorgungsspannungen verwendet werden, was sie in einem weiten Eingangsspannungsbereich universell einsetzbar macht.

Bei einer Eingangsspannung von 24V und einer Ausgangsspannung von 5V beträgt das Tastverhältnis also etwa 21%. Wenn die Ausgangsspannung auf 15V erhöht wird, steigt das Tastverhältnis auf etwa 64%. Die ungünstigsten Bedingungen liegen bei 36V Eingang und 3,3V Ausgang (geringstes Tastverhältnis von etwa 10%) und bei 16V Eingang und 15V Ausgang (höchstes Tastverhältnis von etwa 94%).

Der Wert der Induktivität wird durch eine komplexere Verbindung bestimmt, wie unten dargestellt:


Gleichung 2: Berechnung des Induktorwertes

1. Je größer die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ist, desto größer muss die Induktivität sein.
2. Je höher die Schaltfrequenz ist, desto kleiner ist die benötigte Drosselspule.

Für eine feste Betriebsfrequenz, einen maximalen Laststrom und dieselbe maximale Eingangsspannung von 36V wird jedoch für die niedrigeren Ausgangsspannungen ein größerer Induktionswert benötigt als für die höheren Ausgangsspannungen.

Beim RPMBxx-3.0 beträgt der Unterschied zwischen dem Induktionswert für die 3,3/5V-Ausgänge und dem für die 12/15/24V-Ausgänge den Faktor 7, und es ist sinnvoll, zwei verschiedene Induktionswerte zu verwenden; einen für die niedrigeren Ausgangsspannungen von 1V bis 9V und einen anderen für die höheren Ausgangsspannungen von 9V bis 24V.

48VDC als industrielle Busspannung ist ein wachsender Trend, da es mehrere Faktoren gibt, die eine 48V-Versorgung attraktiver machen als die industrielle Standard-24V-Versorgung. Zum Beispiel:

1. Sie ist effizienter. Die Leistungsverluste in einem Kabel sind proportional zum Quadrat des Stroms, der durch das Kabel fließt. Wenn also die Versorgungsspannung von 24V auf 48V erhöht wird, können mit demselben Versorgungskabel viermal mehr Geräte versorgt werden. Dies ermöglicht eine Aufrüstung der bestehenden Anlage, ohne die Stromversorgungskabel neu verdrahten zu müssen.
2. Sie ist sicherer. Der Vorstoß in Richtung Mild-Hybrid-Elektrofahrzeuge (z. B. Stadtautos mit verkleinertem Verbrennungsmotor, die einen zusätzlichen Elektromotor nutzen, um die Beschleunigung zu verbessern und kurze Fahrten rein batteriebetrieben zu ermöglichen) hat dazu geführt, dass die Kosten für ein Lithium-Ionen-Akkupaket mit 48V stark gesunken sind. Diese wartungsfreien 48V-Lithium-Ionen-Batterien sind kleiner, leichter und jetzt oft billiger als ein gleichwertiges System mit Blei-Säure-Batterie-Unterstützung.
3. Es ist sicher. Der Betrieb von Industriemaschinen mit einer 48VDC-Versorgung bedeutet, dass das System immer noch als sichere Kleinspannung (SELV) eingestuft ist, was bedeutet, dass keine zusätzliche Isolierung und keine Schutzmaßnahmen gegen Stromschläge erforderlich sind. Dies kann die Installationskosten bei schweren industriellen Anwendungen, die mehr Leistung als eine 24-V-Versorgung benötigen, im Vergleich zur Verwendung von netzbetriebenen Geräten erheblich senken.

Die Ausgangsspannung eines 48-V-Lithium-Ionen-Akkupacks für Kraftfahrzeuge ist in der Industrienorm LV148 festgelegt (Abbildung 2):


Aus der LV148-Norm ist ersichtlich, dass jeder Abwärtsregler, der von einem 48V-Lithium-Ionen-Akkupack gespeist wird, einen Eingangsspannungsbereich ...