Entwicklungszeit spielt eine große Rolle, wenn es eilig ist.
Richtig. In Elektronikprojekten kann oft die Spannungsversorgung erst als letzter Schritt entwickelt werden, da der Leistungsbedarf der einzelnen Lasten erst nach dem Test der Gesamtschaltung in realer Umgebung ermittelt wird. Oft wird es da sehr eng mit der Zeitplanung, da der Entwickler einen Abgabetermin seines Prototyps einhalten muss. Hier bietet sich daher der Einsatz von Power-Modulen an, da die Zeit für die Entwicklung der Spannungsversorgung damit um bis zu 60 Prozent, verglichen mit dem Einsatz diskreter Schaltregler, reduziert wird. Dabei werden die im Folgenden aufgeführten Schritte berücksichtigt: Bauelemente-Auswahl, elektrische Berechnung, Layout, elektrische Verifikation, EMV-Messung und Optimierung.
Systemkosten mit Power-Modulen sind höher.
Falsch. Bei der Kalkulation der Systemkosten spielt die Zahl der produzierten Systeme eine große Rolle. Die Kosten von Power-Modulen erscheinen im direkten Vergleich zu einem diskreten Regler (mit integriertem MOSFET plus externer Diode) doppelt bis dreimal so hoch. Berücksichtigt man aber die gesamten Bauteilkosten (IC plus aller externen Komponenten), dann sind die Kosten nur eineinhalb bis zweimal so hoch. Die Systemkosten, auf dessen Basis der Rohgewinn berechnet wird, haben jedoch einen großen Anteil in Form von Entwicklungskosten. Diese Kosten fallen bei Power-Modulen aufgrund von großen Einsparungen bei der Entwicklungszeit und der EMV-Zertifizierung um etwa 50 Prozent niedriger aus.
Daher ergibt sich bei Stückzahlen von 100 Systemen eine 50-prozentige Einsparung der Kosten bei Verwendung von Power-Modulen, bei 1.000 Systemen etwa Gleichstand. Erst bei deutlich höheren Stückzahlen im Bereich von 10.000 werden die Kosten für Systeme mit Power-Modulen höher. Als Basis für diese Kalkulation wurde hier ein DC/DC-Wandler mit den folgenden Werten zugrunde gelegt: Vin_nom = 24 V (42 Vmax), Vout = 5 V und Iout = 3 A.
Power-Module sparen Platz auf der Leiterplatte.
Richtig. Der Trend geht klar hin zu immer kleineren Systemen. Dies bedeutet, dass auch die Leiterplatte kleiner werden muss. Das ist jedoch nur mit höherer Integration zu erreichen. Ein Power-Modul reduziert den nötigen Platzbedarf im Vergleich zum diskreten Regler (mit integriertem MOSFET plus externer Diode) um circa 30 Prozent, und im Vergleich zum Controller (mit zwei externen MOSFETs) um circa 40 Prozent. Gleichzeitig halbiert sich in etwa die Zahl der benötigten Komponenten – ein Vorteil bei der Beschaffung. Als Beispiel wurde hier ein DC/DC-Wandler aus einer typischen Industrieapplikation gewählt:
Vin = 18 bis 42 V, Vout = 5 V, Iout = 3 A. Der Flächenbedarf auf der Platine ergibt sich folgendermaßen: Power-Modul circa 300 mm², nicht-synchroner Abwärtswandler circa 420 mm², synchroner Controller 480 mm².
Power-Module erlauben weniger Flexibilität beim Design als diskrete Schaltregler.
Falsch. Viele Applikationen haben spezielle Anforderungen bezüglich ihrer Spannungsversorgung. So ist oft eine Balance zwischen Effizienz und Regelgeschwindigkeit gefordert. Dies macht eine freie Wahl der Schaltfrequenz möglich. Damit lassen sich auch eventuell unerwünschte Frequenzen vermeiden. Power-Module haben daher in den meisten Fällen eine mit einem Widerstand einstellbare Taktfrequenz. Zusätzlich dazu bieten einige davon auch die Option einer Synchronisation mit einem externen Takt. Dies vermeidet Interferenzen zwischen verschiedenen Modulen und ermöglicht bei phasenverschobenem Takt, die Welligkeit des Eingangsstroms zu reduzieren. Dies hat wiederum eine bessere leitungsgebundenen Elektromagnetische Abstrahlung (EMV) zur Folge.
Power-Module bieten in den meisten Fällen eine einstellbare Ausgangsspannung. Damit kann man mit nur einem Modell verschiedene Ausgangsspannungen realisieren. Power-Module verfügen auch über einen einstellbaren Soft-Start. Damit kann die Steilheit des Anstiegs der Ausgangsspannung justiert werden und ein gefährliches Überschwingen vermieden werden. Gleichzeitig steigt der Eingangsstrom beim Start langsamer an, was bei schwachen Quellen sicherstellt, dass deren Spannung nicht zusammenbricht. Dies ist besonders kritisch, wenn mehrere DC/DC-Wandler gleichzeitig starten.
FPGAs oder Prozessoren benötigen manchmal zwei Versorgungsspannungen, die simultan ansteigen. Diese Option gibt es bei Power-Modulen als „Sequential Voltage Tracking“. Die Funktion „Power-Good“ ist ebenso bei Power-Modulen zu finden und ermöglicht das Starten verschiedener Wandler nacheinander. Sobald das erste Modul die Nominalspannung erreicht, gibt es einen „HIGH“-Pegel am Power-Good-Pin aus. Dieser kann dann den ENABLE-Pin eines zweiten Moduls ansteuern und dessen Start initiieren. Eine andere interessante Funktion bei Power-Modulen ist der „Undervoltage Lockout“. Dies ist ein Eingang, der die Versorgungsspannung auf Einbrüche überwacht und bei Unterschreiten eines kritischen (einstellbaren) Wertes das Modul deaktiviert, um Fehlfunktionen zu vermeiden oder den Eingang zu entlasten.
Schaltregler haben eine schlechtere EMV verglichen mit LDOs.
Richtig! Aber… Immer mehr elektronische Systeme arbeiten in unmittelbarer Nähe zueinander und senden je nach Typ unerwünschte elektromagnetische Wellen an ihre Umgebung. Um den Nutzer der Endgeräte bezüglich Betriebssicherheit zu schützen und die Nutzfrequenzen von Kommunikationseinrichtungen nicht zu stören, hat der Gesetzgeber Normen und Grenzwerte für diese Strahlung eingeführt. Hier wird als Referenz die Norm DIN EN 55022 (äquivalent zu CISPR-22) definiert. Für Technologien der Informationstechnik und für Geräte, die im Wohn- und Gewerbebereich zum Einsatz kommen, wird als Grundlage für die Strahlungsgrenzwerte die Klasse EN55022 B herangezogen.
In der Vergangenheit hat man häufig Linearregler eingesetzt, um die Grenzwerte der Norm einzuhalten, da diese keine periodischen Schwingungen erzeugen und damit nicht abstrahlen. Diskret aufgebaute Schaltregler erforderten viel Wissen zum strahlungsarmen Leiterplattenlayout. Zusätzlich ist der Aufwand der Verifikation und Optimierung sehr hoch – und somit zeitraubend und kostspielig. Der Einsatz von Power-Modulen erleichtert das EMV-konforme Design, da die Gehäusekonstruktion es ermöglicht die kritischen Pfade im Schaltregler zu minimieren. Wird der Regler-IC zwischen leitfähige Lagen eingebettet, sind sogar Schirmwirkungen des elektrischen Feldes möglich. Setzt man geschirmte Speicher-Induktivitäten ein, wird auch das Magnetfeld innerhalb der Spule geleitet und streut nicht nach außen. Strahlungsarme Power-Module können somit Linearregler ersetzen.
Besonders bei hohen Verhältnissen von Eingangs- zu Ausgangsspannung oder hohen Strömen hat das Power-Modul einen entscheidenden Vorteil mit niedriger Verlustleistung und somit Wärmeerzeugung. Eine niedrige Eigenerwärmung ist sehr wichtig für die Lebensdauer des Schaltreglers. Eine Temperaturerhöhung um 10 °C halbiert die Lebensdauer. Ist eine kleine Restwelligkeit gefordert, muss man ebenfalls keinen Linearregler einsetzen, denn diese lässt sich auch mit einem Power-Modul mit geringem Ripple und einem nachgeschalteten Filter erreichen.
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