Maximieren Sie die Gewinne mit miniaturisierten PoL-Konvertern

Die Anforderungen an die Systemleistung sind heutzutage eine Herausforderung, bei der Entwickler Probleme wie mehrere Versorgungsspannungen, Spannungssequenz, hohe transiente Lastströme und übermäßige Hitze überwinden müssen. Anstatt diese Probleme auf der Ebene der Systemstromversorgung anzugehen, ist es vorteilhafter, Maßnahmen auf der Ebene der Leiterplatte (PCB) einzuführen, was bedeutet, dass eine Form von Point-of-Load (PoL)-Wandlern erforderlich ist. Da die meisten Konstrukteure den Marktanforderungen nach kleineren, effizienteren Systemkonzepten gerecht werden müssen, sind miniaturisierte PoL-Stromversorgungen sehr gefragt. Da jedoch nicht alle PoL-Konverter gleich erstellt werden, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, bevor Beschaffungsentscheidungen getroffen werden.

Zahlreiche Schlüsseltrends haben die Elektronikindustrie in den letzten Jahren dominiert, nicht zuletzt die Abkehr der Branche von zentralisierten Energiesystemen und sogar von dezentralisierten oder verteilten Energiearchitekturen (DPA). Stattdessen werden in letzter Zeit bevorzugt Zwischenbus-Architekturen (IBA) eingesetzt, bei denen ein isolierter Front-End-DC/DC-Wandler mehrere kleine, nicht isolierte DC/DC-Wandler (bekannt als Point-of-Load/PoL-Wandler) versorgt, die in der Nähe der zu versorgenden Lasten platziert sind (Abbildung 1).

Abbildung 1: PoL-Konverter wie dieser PMU8318 von Flex Power Modules bieten eine Alternative zu zentralisierten Stromversorgungssystemen. (Bildquelle: Flex Power Modules)

Im Zusammenhang mit dem Einsatz von PoL-Konvertern hat sich eine weitere Reihe von Trends herauskristallisiert, darunter die Notwendigkeit immer größerer Leistungsniveaus, geringerer Kosten und der Miniaturisierung von Systemen/Komponenten. Die neuesten elektronischen Geräte sind nicht nur schneller und intelligenter, sie sind auch wesentlich kleiner, leichter, leistungsdichter und effizienter als Produkte früherer Generationen.

Dieser Faktor hat enorme Auswirkungen auf das Design von Stromversorgungen. In erster Linie hat jeder Quadratmillimeter PCB-Immobilie einen hohen Wert, also je kleiner der Konverter, desto besser. Aber hier gibt es noch eine andere Frage zu bedenken. PoL-Stromversorgungen lösen die Herausforderung von hohen Spitzenstromanforderungen und niedrigen Rauschmargen, die von Hochleistungshalbleitern wie Mikrocontrollern oder ASICs vor allem durch die Platzierung in der Nähe ihres Einsatzortes gefordert werden. Leider enden viele Designer aufgrund ihrer engen Entwicklungszeitpläne und komplexen Platinen damit, Überlegungen zur Stromversorgung bis zur letzten Minute aufzuschieben. Infolgedessen wird der Platzbedarf auf Leiterplatten häufig beeinträchtigt, so dass nur Platz für ein miniaturisiertes Gerät bleibt.

Eine weitere Überlegung ist die Vielseitigkeit. Es ist ratsam zu prüfen, ob ein PoL-Konverter z.B. sowohl für ASICs als auch für FPGAs geeignet ist. Während die meisten optimierten PoL-Stromversorgungen einfache analoge (nicht digitale) Lösungen darstellen, ist die Fähigkeit, FPGAs zu bedienen, wichtig, da sie bei Designern für eine Vielzahl von Anwendungen immer beliebter werden.

FPGAs bieten viele Vorteile gegenüber kundenspezifischen ASICs, darunter niedrigere Kosten, eine große Auswahl an Größen und die Möglichkeit, Schaltungen neu zu konfigurieren. Doch obwohl diese Vorteile für Konstrukteure sehr attraktiv sind, gibt es ein Problem. Jeder FPGA benötigt mehrere Gleichspannungsversorgungen. Oft werden vier, sechs oder mehr Gleichstromschienen benötigt, einige mit relativ hohen Strömen für den Kern, aber viele mit viel niedrigeren Strömen. Aus diesem Grund ist eine sorgfältige Auswahl der PoL-Konverter von entscheidender Bedeutung, insbesondere da die neuesten FPGAs (und ASICs) mit hoher Packungsdichte immer ausgefeilter und anspruchsvoller werden. Einfach ausgedrückt: Leistung, Effizienz, Qualität und Flexibilität dürfen nicht im Namen der Miniaturisierung geopfert werden.

Da PCB-Immobilien jedoch einen hohen Preis haben, darf die Bedeutung der Größe nicht übersehen werden. Ein wichtiger Punkt ist, dass kleine PoL-Wandler oft flach und leicht genug sind, um auf der Unterseite einer Leiterplatte eingesetzt werden zu können, wodurch mehr Platz gespart und die Designflexibilität erhöht wird. Vergleichen Sie dieses platzsparende Konzept mit größeren/schwereren/größeren PoL-Netzteilen oder einzelnen isolierten Wandlern, die nur auf einer Seite der Platine montiert werden können, und der Vorteil liegt auf der Hand.

Darüber hinaus können Miniatur-POL-Wandler viel näher an ihren Lasten platziert werden, was wiederum eine Reihe wichtiger Vorteile bietet. Beispielsweise werden die DC/DC-Leitungsverluste minimiert, während die Probleme der Rauschempfindlichkeit  und der EMI-Emissionen überwunden werden. Darüber hinaus können Streuinduktivitäten reduziert werden, was eine schnellere Reaktion auf Transienten ermöglicht.

Durch den Einsatz mehrerer PoL-Wandler wird es auch wesentlich einfacher, die verschiedenen Spannungsversorgungen bereitzustellen, die typischerweise von hochspezifizierten Bauteilen auf heutigen Leiterplatten verlangt werden.

Ein weiterer Bereich, der untersucht werden muss, ist die thermische Leistung. Je kleiner und dichter die Leistungskomponenten werden, desto größer ist das Potenzial für eine höhere Wärmeübertragung. Es ist jedoch erwiesen, dass die Verlustleistung und damit die Wärme auf ein Minimum beschränkt werden muss, um Temperaturanstiege und potenzielle Unzuverlässigkeit sowie die zusätzlichen Kosten für die Abfuhr überschüssiger Wärme zu vermeiden. Der beste Ratschlag ist daher, das Datenblatt des PoL-Konverters ausführlich zu lesen, insbesondere bei der Überprüfung der Wärmeleistungs- und Wirkungsgraddaten. Die Informationen in Bezug auf die thermische Leistung werden oft als "Derating-Kurve" angegeben, die darstellt, wie die maximale Leistung eines Umrichters von der Umgebungstemperatur und den Kühlbedingungen abhängt (Bild 2).

Abbildung 2: Die Ausgangsstrom-Derating-Kurve des PMU8318-Produkts (12 V_IN, 1 V_OUT Sollwert, 6 A) zeigt, dass der Strom bei 6 A ohne Luftstrom stabil bleibt, bis der Temperaturwert von +105°C erreicht ist. (Bildquelle: Flex Power Modules)

Die Wirkungsgraddaten des Produkts sind auch in einer entsprechenden "Wirkungsgradkurve" im Datenblatt zu finden und müssen einer gründlichen Überprüfung unterzogen werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Effizienzkurve muss bei der Auswahl eines POL ebenfalls berücksichtigt werden. Hier sind die typischen Wirkungsgradkennlinien des PMU8318-Produkts dargestellt (12 V_IN, mehrere V_OUT und die dargestellten Schaltfrequenzpegel, max. 6 A). (Bildquelle: Flex Power Modules)

Es wird auch empfohlen, dass Systemdesigner nach zusätzlichen Funktionen suchen, die die Leistung potenziell steigern können. Zum Beispiel enthalten einige Regler eine Schleifenoptimierungsfunktion, die es Ingenieuren ermöglicht, ihr Einschwingverhalten für verschiedene kapazitive Lasten zu optimieren und so die Flexibilität beim Systementwurf zu erhöhen. Bestimmte PoL-Lösungen bieten auch eine konfigurierbare Softstart- oder Tracking-Funktion, die die Gestaltung von Zeitsequenzen einfacher und flexibler macht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Miniatur-DC/DC-Wandler für eine Vielzahl von Anwendungen auf Platinen geeignet sind, bei denen nur wenig Platz zur Verfügung steht. Solche Regler sind kompakt und kosteneffektiv und bieten viele generische Projektvorteile, wie kürzere Entwicklungszyklen, leichtere Qualifizierung, Flexibilität bei der Platzierung des Designs, höhere Qualitätsniveaus und Kosteneinsparungen bei der Entwicklung.

Um die anhaltende Nachfrage nach miniaturisierten PoL-Reglern zu befriedigen, vertreibt Flex Power Modules seine kompakte Produktfamilie über DigiKey, die ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis in einem kleinen, flachen und funktionsreichen Gehäuse bietet. Der Wirkungsgrad ist mit typischerweise 95,3 % hoch, während die thermische Leistung ebenfalls außergewöhnlich ist, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass das LGA-Design die Wärmeübertragung bis hinunter zur Host-Leiterplatte ermöglicht.

Diese Miniatur-PMU8000 PoL-Wandler, die auf dem Markt in einem standardisierten Formfaktor verpackt sind, können auf der Ober- oder Unterseite der Platine eingesetzt werden, was sie zu einer äußerst flexiblen Lösung für Design-Ingenieure macht. Ein Footprint deckt Stromstärken von 4 A, 6 A und 8 A ab, was Systemdesignern, die eine Optimierung des Stromdesigns anstreben, noch mehr Flexibilität bietet. Darüber hinaus können die Module auch bei hohen Temperaturen (bis zu 105°C) und rauen Umgebungsbedingungen funktionieren. Hier bedeutet das robuste Design, dass die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) bei 171 Mhrs spezifiziert ist. Die PoL-Regler von Flex Power Modules eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen zur Leistungsumwandlung, einschließlich FPGAs, ASICs, Netzwerkprozessoren, CPUs und GPUs, in Bereichen wie ICT (Telekommunikation und Datenkommunikation), Industrie, Test und Messung, IoT, Eisenbahn und Medizin.