Schnelle Implementierung von Abwärtswandlern für die Fabrikautomatisierung, 5G und das IoT

DC/DC-Abwärtswandler werden in vielen elektronischen Systemen wie 5G-Basisstationen, Fabrikautomatisierungsanlagen (FA) und IoT-Geräten (Internet der Dinge) eingesetzt, um hohe Spannungen effizient herunterzuwandeln. Beispielsweise muss eine Spannung wie 12 Volt Gleichstrom (V_DC) oder 48 V_DC von einer Batterie oder einem Stromverteilungsbus oft in eine niedrigere Spannung umgewandelt werden, um digitale ICs, analoge Sensoren, Hochfrequenz(HF)-Komponenten und Schnittstellenkomponenten zu versorgen.

Zwar können Entwickler einen diskreten Abwärtswandler implementieren und ihn für ein bestimmtes Design in Bezug auf die Leistungsmerkmale und das Platinenlayout optimieren, doch ist dieser Ansatz mit einigen Herausforderungen verbunden. Dazu gehören die Auswahl des geeigneten Leistungs-MOSFETs, die Auslegung des Rückkopplungs- und Steuernetzwerks, die Auslegung der Induktivität und die Wahl zwischen einer asynchronen oder einer synchronen Topologie. Außerdem muss das Design zahlreiche Schutzfunktionen umfassen, maximale Effizienz bieten und eine kleine Lösung darstellen. Gleichzeitig werden die Entwickler dazu gedrängt, die Entwicklungszeit zu verkürzen und die Kosten zu senken, was dazu führt, dass geeignetere Stromrichter-Alternativen gesucht werden müssen.

Anstelle des diskreten Weges können die Entwickler auf integrierte Stromversorgungs-ICs zurückgreifen, die MOSFETs mit den notwendigen Rückkopplungs- und Steuerschaltungen kombinieren, die bereits für hocheffiziente Abwärtswandler optimiert sind.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Leistungsunterschiede zwischen asynchronen und synchronen DC/DC-Wandlern und wie sie sich auf die Anforderungen bestimmter Anwendungen auswirken. Er stellt ein Beispiel für einen integrierten asynchronen Abwärtswandler-IC und einen synchronen Abwärtswandler-IC von ROHM Semiconductor vor und erörtert Überlegungen zur Implementierung, einschließlich der Auswahl der Ausgangsinduktivität und des Kondensators sowie des Leiterplattenlayouts. Um den Entwicklern den Einstieg zu erleichtern, werden Evaluierungsboards in die Diskussion einbezogen.

Warum einen Abwärtswandler verwenden?

Bei Anwendungen, die nur wenige Ampere (A) Strom benötigen, ist ein Abwärtswandler eine effizientere Alternative zu einem Linearregler. Ein linearer Regler kann einen Wirkungsgrad von etwa 60 % haben, während ein asynchroner Abwärtswandler einen Wirkungsgrad von 85 % und mehr erreichen kann.

Ein grundlegender asynchroner Abwärtswandler besteht aus einem MOSFET-Schalter, einer Schottky-Diode, einem Kondensator, einer Induktivität und einer Steuer-/Treiberschaltung (nicht abgebildet) zum Ein- und Ausschalten des MOSFET (Abbildung 1). Ein Abwärtswandler (Buck-Konverter) nimmt die Eingangsgleichspannung (V_IN) auf und wandelt sie in einen pulsierenden Wechselstrom um, der von der Diode gleichgerichtet und dann von der Drossel und dem Kondensator gefiltert wird, um eine geregelte Ausgangsgleichspannung (V_O) zu erzeugen. Diese Topologie verdankt ihren Namen der Tatsache, dass die Spannung an der Induktivität der Eingangsspannung entgegengesetzt ist oder sie übersteuert.

Abbildung 1: Asynchrone Abwärtswandlertopologie, ohne MOSFET-Controller/Treiberschaltung. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Die Steuer-/Treiberschaltung erfasst die Ausgangsspannung und schaltet den MOSFET periodisch ein und aus, um die Ausgangsspannung auf dem gewünschten Niveau zu halten. Wenn die Last schwankt, variiert der Controller/Treiber die Zeit, in der der MOSFET eingeschaltet ist, um je nach Bedarf mehr oder weniger Strom an den Ausgang zu liefern, um die Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten (zu regeln). Der Prozentsatz der Zeit, in der der MOSFET während eines vollständigen EIN/AUS-Zyklus eingeschaltet ist, wird als Tastverhältnis bezeichnet. Ein höheres Tastverhältnis unterstützt daher höhere Lastströme.

Synchroner Abwärtsregler

Bei Anwendungen, die einen höheren Wirkungsgrad benötigen, als er mit einem asynchronen Abwärtswandler möglich ist, können Entwickler auf einen synchronen Abwärtswandler zurückgreifen, bei dem die Schottky-Diode durch eine synchrone MOSFET-Gleichrichtung ersetzt wird (Abbildung 2). Der synchrone MOSFET (S₂) hat einen deutlich geringeren Durchlasswiderstand als der Schottky-Widerstand, was zu geringeren Verlusten und einem höheren Wirkungsgrad führt, allerdings zu höheren Kosten.

Eine Herausforderung besteht darin, dass es nun zwei MOSFETs gibt, die koordiniert ein- und ausgeschaltet werden müssen. Wenn beide MOSFETs gleichzeitig eingeschaltet sind, entsteht ein Kurzschluss, der die Eingangsspannung direkt mit Masse verbindet und den Wandler beschädigt oder zerstört. Um dies zu verhindern, erhöht sich die Komplexität des Steuerkreises, was die Kosten und die Entwicklungszeit im Vergleich zu einem asynchronen Entwurf weiter erhöht.

Dieser Steuerkreis in einem synchronen Abwärtsregler beinhaltet eine „Totzeit“ zwischen den Schaltvorgängen, bei der beide Schalter für einen sehr kurzen Zeitraum ausgeschaltet sind, um eine gleichzeitige Stromleitung zu verhindern. Zum Glück gibt es Stromversorgungs-ICs, die die für Abwärtswandler erforderlichen Leistungs-MOSFETs und Steuerschaltungen integrieren.

Abbildung 2: Synchrone Abwärtswandlertopologie, bei der die Schottky-Diode durch einen synchron gleichrichtenden MOSFET (S₂) ersetzt wurde. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Integrierte Abwärtswandler-ICs

Beispiele für hochintegrierte Abwärtswandler-ICs sind die Bausteine BD9G500EFJ-LA (asynchron) und BD9F500QUZ (synchron) von ROHM, die in einem HTSOP-J8- bzw. VMMP16LZ3030-Gehäuse geliefert werden (Abbildung 3). Der BD9G500EFJ-LA hat eine Spannungsfestigkeit von 80 Volt und ist für die Verwendung mit 48V-Versorgungsbussen vorgesehen, die in 5G-Basisstationen, Servern und ähnlichen Anwendungen zu finden sind. Er eignet sich auch für Systeme mit 60V-Versorgungsbussen wie Elektrofahrräder, Elektrowerkzeuge, FA und IoT-Geräte. Er kann einen Ausgangsstrom von bis zu 5 A liefern und hat einen Umwandlungswirkungsgrad von 85 % über seinen Ausgangsstrombereich von 2 bis 5 A. Zu den integrierten Funktionen gehören Sanftanlauf, Überspannung, Überstrom, thermische Abschaltung und Unterspannungssperre.

Abbildung 3: Der asynchrone Abwärtswandler-IC BD9G500EFJ-LA wird in einem HTSOP-J8-Gehäuse und der synchrone Abwärtswandler-IC BD9F500QUZ in einem VMMP16LZ3030-Gehäuse geliefert. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Da der synchrone Buck-Stromversorgungs-IC BD9F500QUZ eine Durchbruchspannung von 39 Volt hat, können Entwickler von Systemen mit 24V-Strombussen ihn zur Senkung der Systemkosten einsetzen, indem sie die Montagefläche und die Anzahl der Komponenten in FA-Systemen wie speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Umrichtern reduzieren. Der BD9F500QUZ reduziert die Größe der Lösung um etwa 60 %, und die maximale Schaltfrequenz von 2,2 MHz ermöglicht die Verwendung einer kleinen 1,5μH-Induktivität (Mikrohenry). Dieser synchrone Abwärtsregler arbeitet mit einem Wirkungsgrad von bis zu 90 % und einem Ausgangsstrom von 3 A.

Die Kombination aus hohem Wirkungsgrad und thermisch effizientem Gehäuse bedeutet, dass die Betriebstemperatur bei etwa 60 Grad Celsius (°C) liegt, ohne dass eine Kühlung erforderlich ist, wodurch Platz gespart, die Zuverlässigkeit verbessert und die Kosten gesenkt werden. Zu den integrierten Funktionen gehören die Entladefunktion des Ausgangskondensators, Überspannungs-, Überstrom-, Kurzschluss-, thermische Abschaltung und Unterspannungsabschaltung.

Auswählen der Induktivität und des Kondensators

Obwohl der BD9G500EFJ-LA und der BD9F500QUZ über integrierte Leistungs-MOSFETs verfügen, müssen die Entwickler dennoch die optimale Ausgangsinduktivität und den optimalen Kondensator auswählen, die miteinander verbunden sind. So ist beispielsweise der optimale Wert der Induktivität wichtig, um die kleinsten kombinierten Größen für die Induktivität und den Ausgangskondensator sowie eine ausreichend niedrige Ausgangsspannungswelligkeit zu erhalten. Transiente Anforderungen sind ebenfalls wichtig und variieren von System zu System. Die Amplitude der Lasttransienten, die Begrenzung der Spannungsabweichung und die Impedanz des Kondensators wirken sich alle auf die Transientenleistung und die Auswahl des Kondensators aus.

Den Entwicklern stehen mehrere Kondensatortechnologien zur Verfügung, die jeweils unterschiedliche Kosten- und Leistungsvorteile bieten. In der Regel werden für die Ausgangskapazität in Abwärtswandlern keramische Mehrschichtkondensatoren (MLCCs) verwendet, aber einige Designs können von der Verwendung von Aluminium-Elektrolytkondensatoren oder leitfähigen Polymer-Hybrid-Elektrolytkondensatoren profitieren.

ROHM hat den Prozess der Induktions- und Kondensatorauswahl vereinfacht, indem in den Datenblättern für diese Stromversorgungs-ICs komplette Anwendungsbeispielschaltungen angeboten werden:

• Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Schaltfrequenz und Ausgangsstrom
• Schaltplan
• Vorgeschlagene Stückliste (BOM) mit Werten, Teilenummern und Herstellern
• Betriebswellenformen

Drei detaillierte Anwendungsschaltungen für den BD9G500EFJ-LA, alle mit einer Schaltfrequenz von 200 Kilohertz (kHz), umfassen:

• 7 bis 48 V_DC Eingang mit einem Ausgang von 5,0 V_DC bei 5 A
• 7 bis 36 V_DC Eingang mit einem Ausgang von 3,3 V_DC bei 5 A
• 18 bis 60 V_DC Eingang mit einem Ausgang von 12 V_DC bei 5 A

Sieben detaillierte Anwendungsschaltungen für den BD9F500QUZ umfassen:

• 12 bis 24 V_DC Eingang mit einem Ausgang von 3,3 V_DC und 5 A, mit einer Schaltfrequenz von 1 MHz
• 12 bis 24 V_DC Eingang mit einem Ausgang von 3,3 V_DC und 5 A, mit einer Schaltfrequenz von 600 kHz
• 5 V_DC Eingang mit einem Ausgang von 3,3 V_DC und 5 A, mit einer Schaltfrequenz von 1 MHz
• 5 V_DC Eingang mit einem Ausgang von 3,3 V_DC und 5 A, mit einer Schaltfrequenz von 600 kHz
• 12 V_DC Eingang mit einem Ausgang von 1,0 V_DC und 5 A, mit einer Schaltfrequenz von 1 MHz
• 12 V_DC Eingang mit einem Ausgang von 1,0 V_DC und 5 A, mit einer Schaltfrequenz von 600 kHz
• 12 V_DC Eingang mit einem Ausgang von 3,3 V_DC und 3 A, mit einer Schaltfrequenz von 2,2 MHz

Darüber hinaus bietet ROHM Entwicklern einen Anwendungshinweis über „Typen von Kondensatoren zur Ausgangsglättung von Schaltreglern und Vorsichtsmaßnahmen“

Evaluierungsboards beschleunigen den Entwicklungsprozess

Um den Entwicklungsprozess weiter zu beschleunigen, bietet ROHM die Evaluierungsboards BD9G500EFJ-EVK-001 und BD9F500QUZ-EVK-001 für den BD9G500EFJ-LA bzw. BD9F500QUZ an (Abbildung 4).

Abbildung 4: Mit den Evaluierungsboards BD9G500EFJ-EVK-001 (links) und BD9F500QUZ-EVK-001 (rechts) für die Abwärtswandler-ICs BD9G500EFJ-LA bzw. BD9F500QUZ können Entwickler schnell sicherstellen, dass die Bausteine ihre Anforderungen erfüllen. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Der BD9G500EFJ-EVK-001 erzeugt einen 5V_DC-Ausgang aus einem 48V_DC-Eingang. Der Eingangsspannungsbereich des BD9G500EFJ-LA beträgt 7 bis 76 V_DC, und die Ausgangsspannung ist mit externen Widerständen von 1 V_DC bis 0,97 x V_IN konfigurierbar. Die Betriebsfrequenz kann ebenfalls über einen externen Widerstand zwischen 100 und 650 kHz eingestellt werden.

Das Evaluierungsboard BD9F500QUZ-EVK-001 erzeugt einen 1V_DC-Ausgang aus einem 12V_DC-Eingang. Der Eingangsspannungsbereich des BD9F500QUZ beträgt 4,5 bis 36 V_DC, und die Ausgangsspannung ist mit externen Widerständen von 0,6 bis 14 V_DC konfigurierbar. Dieser Stromversorgungs-IC hat drei wählbare Schaltfrequenzen: 600 kHz, 1 MHz und 2,2 MHz.

Überlegungen für das Platinenlayout

Bei der Verwendung des BD9G500EFJ-LA und des BD9F500QUZ sind allgemeine Überlegungen zum Leiterplattenlayout anzustellen:

1. Die Freilaufdiode und der Eingangskondensator sollten sich auf der gleichen Leiterplattenebene wie der IC-Anschluss und möglichst nahe am IC befinden.
2. Wann immer möglich, sollten thermische Durchkontaktierungen zur Verbesserung der Wärmeableitung vorgesehen werden.
3. Platzieren Sie die Induktivität und den Ausgangskondensator so nah wie möglich am IC.
4. Halten Sie die Leiterbahnen der Rückleitung von Rauschquellen, wie z. B. der Induktivität und der Diode, fern.

Spezifischere Layout-Details finden Sie in den Datenblättern der jeweiligen Komponenten und in ROHMs Anwendungshinweis über „Platinenlayout-Techniken für Abwärtswandler“

Fazit

Wie gezeigt, können asynchrone und synchrone Abwärtswandler im Vergleich zu linearen Reglern in einer Vielzahl von FA-, IoT- und 5G-Anwendungen höhere Umwandlungswirkungsgrade liefern. Es ist zwar möglich, kundenspezifische Abwärtswandler für ein bestimmtes Design zu entwickeln, aber das ist eine komplexe und zeitaufwändige Aufgabe.

Stattdessen können sich die Entwickler für Stromversorgungs-ICs entscheiden, die den Leistungs-MOSFET zusammen mit der Steuer- und Treiberschaltung integrieren, um kompakte und kostengünstige Lösungen zu erhalten. Außerdem stehen den Entwicklern eine Reihe von Tools zur Verfügung, um die Markteinführung zu beschleunigen, darunter Anwendungshinweise zur Kondensatorauswahl und zum Leiterplattenlayout, detaillierte Anwendungsbeispielschaltungen und Evaluierungsboards.

Empfohlene Lektüre

1. Grundlagen: Verstehen der Eigenschaften von Kondensatortypen, um sie angemessen und sicher zu verwenden
2. Richtiger Einsatz geeigneter Leistungskomponenten zur Erfüllung der Anforderungen in der industriellen Spannungsversorgung