Vermeidbare verbreitete Fehler bei der Verwendung von DC/DC-Reglermodulen für mittlere Stromstärken

Entwickler sind auf der Suche nach betriebsbereiten Einbauteilen, um DC-Ausgangsschienen für niedrige Spannungen und moderate Ströme im Bereich von 1 bis 10 A bereitzustellen, die grundlegende Leistungsanforderungen und Bestimmungen erfüllen und effizient sind. Die Hersteller bieten zwar viele geeignete kleine DC/DC-Wandler/Regler für diesen Bedarf an, aber es wäre unvorsichtig, davon auszugehen, dass es sich einfach um Einbauteile handelt, um die man sich nicht kümmern muss.

Warum ist das so? Trotz ihrer scheinbaren Einfachheit handelt es sich bei diesen Reglern trotzdem um Stromquellen, die mäßige Stromstärken für Lasten bereitstellen. Wenn es sich um Module handelt, müssen die Konstrukteure nur einige externe unkritische passive Bauelemente hinzufügen. Aufgrund dieser Anwenderfreundlichkeit kann sich bei den Entwicklern allerdings eine Nachlässigkeit einschleichen, die unter Umständen dazu führt, dass die Grundregeln für alle Stromquellen und Schienen ignoriert werden.

In diesem Artikel werden diese wichtigen Grundlagen dargestellt und besprochen. Danach wird eine Auswahl von Stromversorgungslösungen vorgestellt und gezeigt, wie diese Grundprinzipien anzuwenden sind, um alles aus diesen herauszuholen.

Beschreibung der häufigsten Fehler bei der Konstruktion von Stromversorgungen

Zuerst einige gute Nachrichten. Der Wirkungsgrad beim Betrieb dieser Komponenten ist relativ hoch, typisch zwischen 80 % und 95 % je nach Modell und Arbeitspunkt. Obwohl die Ausgangsstromstärken moderat sind, müssen die Entwickler eine grundlegende Wärme- und Dissipationsanalyse durchführen, um sicherzustellen, dass die Temperaturen der Komponenten innerhalb ihres Nennbereichs bleiben und nicht zusätzlich zum Kühlungsbedarf des Systems beitragen.

Es gibt fünf primäre Problembereiche: 1) IR-Abfall, 2) Isolierung, 3) Regelbarkeit des Ausgangs, 4) Schaltrauschen und 5) niederohmige Rückführungen. Ein Entwickler sollte sich in einem ersten Schritt – noch vor der Wahl eines bestimmten DC/DC-Reglers – davon überzeugen, dass die nicht geregelte DC-Quelle eine ausreichende Stromstärke liefern kann, und dabei berücksichtigen, dass diese Quelle möglicherweise auch von anderen DC/DC-Einheiten benötigt wird. Vergewissern Sie sich auch, dass die dynamische Leistung der Stromquelle in der Lage ist, höhere Stromspitzen zu bewältigen, insbesondere deswegen, weil diese Regler nicht über große Ladekondensatoren am Ausgang verfügen.

IR-Abfall: Zu schwierig?

Entwickler stehen beim Layout von PC-Platinen oft vor verschiedenen und einander widersprechenden Anforderungen bezüglich der Anordnung von Komponenten, E/A-Anschlüssen und möglichen Wärmequellen. Der Regler kann diesbezüglich eine Herausforderung darstellen. Im Idealfall könnte er in der Nähe der Last angeordnet werden, um den IR-Abfall und die Störsignalaufnahme zu minimieren und breitere Leiterbahnen auf der PC-Platine für den Stromdurchfluss überflüssig machen.

Der IR-Abfall kann am ehesten übersehen werden, ist aber am einfachsten zu berechnen. Selbst ein Widerstand von wenigen Milliohm zwischen dem Ausgang des DC/DC-Reglers und der Last kann zu einem Abfall von 10 oder mehr Millivolt für den von den Einheiten gelieferten Strom führen. Dies mag ein geringer Wert sein, der aber signifikant werden kann, wenn die Nennspannung der DC-Schiene nur wenige Volt beträgt.

Daher müssen die Leiterbahnen der Platine entsprechend dimensioniert werden oder vielleicht auf eine separate Leiterplatte ausgelagert werden. Dünne Busschienen sollten ebenfalls in Betracht gezogen werden. Busschienen scheinen eine archaische Lösung darzustellen, sind aber aus zwei Gründen sehr effektiv. Erstens reduzieren sie den IR-Abfall dramatisch. Zweitens kann mit nur geringen zusätzlichen Materialkosten eine Busschiene mit zwei Ebenen verwendet werden. Dies führt zu einer besseren Masse-Rückführung des Gleichstroms.

Dies ist ebenso wichtig für die Minimierung des IR-Abfalls wie die High-Side-DC-Schiene selbst. Es wird eine bessere Systemmasse mit geringerem Widerstand hergestellt, und es werden parasitäre Effekte und Nicht-DC-Impedanz in der Massestruktur minimiert, was zu einer besseren Frequenzleistung führen kann. Natürlich ist eine geringe Impedanz, so nahe wie möglich an den Versorgungspins oder Leitungen für die IC-Spannung angebrachte Ableitkondensatoren mit geringer Kapazität, unabhängig von der physischen DC-Schiene und der Masse zur Minimierung von Rauschproblemen an der Versorgungsschiene wichtig.

In manchen Fällen ist der IR-Abfall trotzdem inakzeptabel, sodass eine spezielle Reglerarchitektur mit Remote-Sensoren angebracht ist. Hier hat der Regler zwei herkömmliche Klemmen für Stromversorgung und Rückführung und darüber hinaus zwei Messanschlüsse an der Last zur Messung der tatsächlichen Spannung bei dieser Last. Der Regler verwendet diesen Messwert als Feedback zur Einstellung der Ausgangsspannung, um den Spannungsabfall zu kompensieren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Remote-Messung ermöglicht der DC-Quelle eine direkte Messung der tatsächlichen Schienenspannung an der Last und ggf. eine dynamische Kompensation von IR-Abfällen oder anderen Abweichungen. (Bildquelle: Analog Devices)

Beispielsweise kann der µModule^®-Regler LTM4601 von Linear Technology Corp/Analog Devices beachtliche Stromstärken von bis zu 12 A zwischen 0,6 und 5,0 V aus einem DC-Eingang zwischen 4,5 und 20 V liefern. Bei diesen hohen Stromstärken könnte der IR-Verlust die Systemleistung und das konsistente Verhalten beeinträchtigen. Mit Remote-Messung kann das Modul einen Spannungsverlust durch IR-Abfall auf der Platine zwischen V_OUT und V_LOAD sowie die Masserückführung korrigieren. Daher garantiert der LTM4601 eine Mindestgenauigkeit der Spannung von ±2,0 % an der Last trotz Abweichung durch Leitungen, Last und Temperatur.

Beachten Sie aber, dass Remote-Messungen kein Allheilmittel sind. Tatsächlich führen sie zu einer großen Feedback-Schleife zwischen Quelle und Last. Wenn Sie sich einen Leistungsregler als eine Art von Leistungs-Operationsverstärker vorstellen – was er tatsächlich ist –, so setzt diese Feedback-Schleife die Quelle Störungen durch Rauschen und EMI/RFI aus, die die Leistung des geschlossenen Regelkreises beeinträchtigen können. Es ist sogar möglich, dass der Regler aufgrund des Vorhandenseins dieser Schleife instabil wird und oszilliert. Daher erfordern Remote-Messungen sorgfältige Layout-Überlegungen.

Ein anderer Ansatz zur Minimierung der IR-Auswirkungen besteht darin, mehrere kleinere Regler in der Nähe ihrer jeweiligen Lasten anstelle einer größeren Einheit an einem einzigen zentralen Ort einzusetzen. Dies führt zu einem klassischen Konflikt zwischen den materiellen „Kosten“ von zwei oder mehr kleineren und kostengünstigeren Einheiten anstelle einer größeren und teureren. Während der Unterschied zwischen den Materialkosten quantifiziert werden kann, ist die technische Auswirkung der Wahl eines größeren Bauteils oder mehrerer kleinerer schwieriger zu bewerten. Hierfür sind sowohl Analysen als auch Urteilsvermögen und Erfahrung nötig.

Das Leistungsmodul LMZM33602 von Texas Instruments kombiniert beispielsweise einen Abwärtswandler mit Leistungs-MOSFETs, einer geschirmten Induktivität und passiven Bausteinen – alles in einem relativ kleinen, flachen Gehäuse, das 1 bis 18 V bei bis zu 2 A liefern kann (Abbildung 1). Es werden nur vier bis fünf unkritische passive externe Komponenten benötigt, und die Schleifenkompensation sowie die magnetischen Aspekte bei der Konstruktion eines Reglers entfallen.

Abbildung 2: Der Einsatz mehrerer kleinerer Stromregler, z. B. des LMZM33602 von Texas Instruments, kann den Materialaufwand erhöhen, aber auch das Layout vereinfachen und die Leistung bezüglich IR-Abfall und Rauschen verbessern. (Bildquelle: Texas Instruments)

Mit seinen Abmessungen von nur 9 mm × 7 mm × 4 mm in einem QFN-Gehäuse kann der LMZM33602 problemlos in der Nähe der versorgten Komponenten oder Teilschaltkreise untergebracht werden. Dadurch wird der IR-Abfall aus zwei Gründen minimiert.

Erstens befindet sich der Regler in der Nähe der Last und Schienenwiderstand und Störungsaufnahme werden reduziert. Zweitens beträgt die Ausgangsstromstärke nur wenige Ampere, was den IR-Abfall ebenfalls reduziert. So führt die Bereitstellung einiger dieser Einheiten anstelle einer einzigen größeren 10-Ampere-Einheit möglicherweise zu einem flexibleren Layout, einem geringeren IR-Abfall, weniger Störungsaufnahme, einer besseren Verteilung der Wärmedissipation und weiteren positiven Effekten auf Systemebene.

Isolierung: manchmal eine Option, oft obligatorisch

Eine galvanische Trennung – das Nichtvorhandensein von ohmschen Strompfaden zwischen Teilen einer Schaltung – bewegt sich zwischen „ganz nützlich“ und „unverzichtbar“. Es kann vorteilhaft sein, Masseschleifen im System zu eliminieren, da möglicherweise ein „schwebender“ (nicht geerdeter) Wandler angeschlossen ist, oder Schaltungen mit höherer Spannung müssen vielleicht aus Sicherheitsgründen vom Verwender eines medizinischen Geräts getrennt werden. Vielen Entwicklern ist diese Isolierung entweder unbekannt oder die Gründe, warum sie erforderlich oder nützlich ist, liegen im Dunkeln.

Unabhängig von der Begründung wird oft die Tatsache übersehen, dass ein isolierter Teilschaltkreis auch eine isolierte Stromversorgung, gewöhnlich mit geringen Stromstärken, benötigt. In der Vergangenheit wurde für eine derartige isolierte Stromversorgung eine erheblich größere Platinenfläche benötigt, und die Materialkosten waren im Vergleich mit den anderen Funktionen überproportional hoch. Die Strategie „Bauen statt Kaufen“ war oft keine gangbare Option, da eine isolierte Konstruktion in puncto Entwicklung und Montage nicht trivial ist. Darüber hinaus müsste die isolierte Konstruktion und ihre physische Umsetzung in vielen Fällen getestet und zertifiziert werden, um die gesetzliche Standards zu erfüllen. Dies wäre ein teurer und komplizierter Prozess.

Das Problem kann aber weitgehend beherrscht werden, da kleine, vollständig konforme und zertifizierte isolierte DC/DC-Module zur Verfügung stehen, z. B. das LTM8047 von Analog Devices (Abbildung 3). Mit seiner isolierten Flyback-Topologie bietet es eine Isolierung von 725 V_DC.

Abbildung 3: Durch Fortschritte bei Komponenten, Topologie und Gehäusen bietet das Reglermodul LTM8047 von Analog Devices eine galvanische Trennung und erfüllt alle relevanten gesetzlichen Standards bezüglich seiner Nennspannung. Für den Anwender sieht es wie eine herkömmliche nicht isolierte Komponente aus. (Bildquelle: Analog Devices)

In diesem nur 11,25 mm × 9 mm × 4,92 mm großen BGA-Gehäuse befinden sich der Schaltregler, Leistungsschalter und alle zugehörigen Komponenten sowie das Kernelement eines Trenntransformators (Abbildung 4). Das Modul kann Ausgangsspannungen von 2,5 bis 12 Volt ausgehend von einem Eingangsspannungsbereich von 3,1 bis 32 Volt liefern (jeweils im Abwärtsmodus). Die lieferbare Stromstärke ist zwar mit 440 Milliampere (mA) bei 2,5 V DC relativ bescheiden, aber für viele isolierte Teilschaltkreise und Wandler-Frontends mehr als ausreichend.

Abbildung 4: Aufgrund von physikalischen Gesetzen und entsprechenden Zwängen durch gesetzliche Bestimmungen erzwingt eine Isolierung einen physischen Abstand zwischen Eingang und Ausgang. Die Größe des LTM8047 von Analog Devices bietet Isolierung bis zu 750 V, was für viele Einsatzzwecke ausreicht. (Bildquelle: Analog Devices)

Einstellbarkeit: nützlich, aber Vorsicht!

Diese verfügbaren DC/DC-Regler liefern selten eine feste voreingestellte Spannung. Der Anwender kann stattdessen die Spannung über ein Widerstandspaar in einer Spannungsteiler-Konfiguration festlegen. Dies bietet mehrere Vorteile: a) Ein und derselbe Regler kann an vielen Stellen eingesetzt werden, was den Materialverbrauch reduziert. (b) Die Ausgangsspannung kann um einige mV „hochgeregelt“ werden, um den IR-Abfall zu kompensieren. (In vielen Fällen keine empfehlenswerte Vorgehensweise, wird aber häufig gemacht.) (c) Die Ausgangsspannung kann für eine analoge Schaltung auf den gewünschten Pegel hochgeregelt werden, insbesondere bei HF, wo ein Konflikt zwischen spezifizierter Leistung und Dissipation auftritt. (Bei höherer Spannung ist der Rauschabstand geringer und die Bandbreite größer, aber auf Kosten einer höheren Dissipation.)

Die Anwender müssen aber erkennen, dass die Stabilität und der Temperaturkoeffizient (Tempco) der Widerstände, mit denen die Spannung festgelegt wird, zusammen mit dem thermischen Verhalten der Umgebung in eine Berechnung der nominellen DC-Ausgangsspannung des Reglers einbezogen werden müssen. Es ist möglich, dass die DC-Schiene bei höheren Temperaturen die Spezifikationen für die Last nicht mehr erfüllt. Es kann daher klug oder sogar nötig sein, Widerstände zur Spannungsregelung mit niedrigem Temperaturkoeffizienten zu wählen und keine Allzweck-Bauteile, die sich als Pull-up für andere, nicht kritische, Funktionen eignen.

Ein andere bei manchen DC/DC-Reglern vorhandene Einstellmöglichkeit ist die Wahl der Schaltfrequenz. (Alle diese Regler beruhen aus Effizienzgründen und wegen der Größe auf einer Schalttopologie und sind keine LDOs). Der MAX17536 von Maxim Integrated kann z. B. mit einem einzigen Widerstand für den Betrieb innerhalb des großen Bereichs zwischen 100 KHz und 2,2 MHz eingestellt werden (Abbildung 5). Damit ist eine Einstellung möglich, die die Auswirkungen des Schaltrauschens auf in der Nähe befindliche Schaltungen mit überlappenden Frequenzen (z. B. das Mittelwellenband von 550 bis 1600 kHz) oder auf ein bestimmtes schmales Band mit einem relevanten Signal vermeidet.

Abbildung 5: Die Schaltfrequenz des Reglers MAX17536 von Maxim wird durch einen einzigen Widerstand innerhalb des breiten Bands von 100 KHz bis 2,2 MHz festgelegt. Dies bietet Flexibilität und minimiert Interferenzen von Schaltungen oder Signalen. Bildquelle: Maxim Integrated)

Beachten Sie, dass die Beziehung zwischen Widerstand und Schaltfrequenz nicht linear und recht ungenau ist. Aus diesen und anderen Gründen kann der MAX17536 mit einer externen Quelle synchronisiert werden und muss nicht mit der über seinen Widerstand festgelegten Frequenz betrieben werden. Dadurch werden auch unerwünschte Vermischungen der Frequenz mit anderen Taktquellen im System vermieden, die zu lästigen und schwer zu diagnostizierenden Problemen führen können.

Fazit

Diese kleinen, vollwertigen DC/DC-Wandler vermeiden einen großen Teil der Risiken und Kopfschmerzen, die bei der Entwicklung von Stromquellen mit geringen Spannungen und mittleren Stromstärken zwischen 1 (oder weniger) und 10 Ampere auftreten. Wie bei jeder Komponente gibt es aber auch hier einige Grundregeln für eine erfolgreiche Installation, die zur Kenntnis zu nehmen und grundsätzlich zu befolgen sind, damit das Potenzial vollständig ausgeschöpft werden kann und Fallen vermieden werden.