Dieser Artikel ist Teil unserer Titelreportage der E&E-März-Ausgabe 2021. Hier geht es zum zugehörigen Titelinterview mit Andreas Thamm von Rohm.
Elektronische Geräte, wie sie in der Industrie, Kommunikationstechnik und Automobilbranche zum Einsatz kommen, werden mit Spannungen von zum Beispiel 12, 24 und 48 VDC versorgt und sind hohen Transienten ausgesetzt. Sie erfordern daher einen weiten Eingangsspannungsbereich. Der Eingangsspannungsbereich von DC/DC-Schaltregler-ICs orientiert sich sehr nah an den vorgegebenen Anforderungen und Standards der entsprechenden Branchen.
Industrielle Applikationen aus dem Bereich von E-Meter, SPS, Fabrikautomatisierung und industrielle Kommunikation werden beispielsweise mit 12 oder 24 VDC versorgt. Schienenfahrzeuge wie Kleinbahnen oder Straßenbahnen, die mit Versorgungsspannungen von 24 oder 48 VDC versorgt werden, weisen einen dedizierten Eingangsspannungsbereich von bis zu 72 VDC auf.
Geeignet für Cloud-Server und Basisstationen
Weit höher sind die Anforderungen in der Kommunikationstechnik. In dieser Branche werden Backplanes mit 48 VDC gespeist, und es sind Eingangsspannungsbereiche von bis zu 75 VDC erforderlich. Das sind typische Anforderungen von Applikationen, wie sie in 5G-Basisstationen und Cloud-Servern verwendet werden.
Transienten haben unterschiedliche Ursachen und können elektronische Schaltungen beschädigen. Sie treten sporadisch auf und sind oft schwer reproduzierbar. Beispielsweise entstehen auf Versorgungsleitungen durch wechselnde Lasten Ausgleichsspannungen, die zu Transienten von bis zu 60 V führen. Ihre Impulsformen weisen eine unterschiedliche Anstiegszeit und Impulsdauer auf.
Burst-Impulse sind schnelle Transienten, die unter anderem entstehen, wenn über den Kontakten von prellenden Schaltern Ausgleichsvorgänge stattfinden. Atmosphärische Einflüsse wie Blitzeinschläge führen zu hochenergetischen Transienten. Diese werden Surge-Impulse genannt. Ein Burst-Impuls ist im Gegensatz zum Surge-Impuls in seiner Anstiegszeit und Impulsdauer kürzer und tritt mehrmals hintereinander in Paketen auf.
Bisher verfügten DC/DC-Schaltregler über einen Eingangsspannungsbereich bis zu 32 VDC. Sie wurden üblicherweise mit zusätzlichen externen Bauteilen, zum Beispiel Varistoren, Schottky- und TVS-Dioden beschaltet, um vor Zerstörung durch hohe Transienten zu schützen. Verfügt ein DC/DC-Schaltregler-IC über einen weiten Eingangsspannungsbereich, so können zusätzliche externe Schaltungsschutzbauteile entfallen. Dies spart Platz auf der Leiterkarte und reduziert BOM-Kosten.
Entwickler von Stromversorgungsschaltungen setzen es sich daher zum Ziel, DC/DC-Schaltregler mit einem hohen Eingangsspannungsbereich von bis zu 75 VDC in ihren Applikationen zu implementieren. Aus diesem Grund hat Rohm seine Produktfamilie der DC/DC-Schaltregler-Serie BD9Gxxx um einen IC mit breitem Eingangsspannungsbereich erweitert.
Buck-DC/DC-Schaltregler im Detail
Der neue Buck-DC/DC-Schaltregler-IC BD9G500EFJ im HTSOP-J8-Gehäuse erlaubt mit seinem Eingangsspannungsbereich von 7 bis 76 VDC Transienten bis zu 80 V. Seine geplante lange Verfügbarkeit auf dem Markt und sein weiter Eingangsspannungsbereich ermöglichen einen optimalen Einsatz in der Industrie.
Anwendungsbeispiele sind speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), die mit 24 VDC versorgt werden, oder Anwendungen aus der Kommunikationstechnik. Hier erfolgt aus einer 48-VDC-Backplane die Versorgung von ±12 V für analoge Schaltungskomponenten.
Wegen seiner Current-Mode-Control-Regeltopologie können sogar bei einem maximalen Ausgangsstrom von 5 A stabile Ausgangsspannungen erzeugt werden. Damit lässt sich dieser DC/DC-Schaltregler-IC ideal auch als POL-Converter in 5G-Basisstationen einsetzen.
Bei der genauen Dimensionierung eines DC/DC-Schaltreglers sind die Dimensionierung und die Auswahl entsprechender passiver Bauelemente wie Spule und Ausgangskondensatoren besonders wichtig. Sowohl Wechselspannungsverluste als auch Gleichspannungsverluste (AC- und DC-Verluste) können bei einer ungünstigen Auslegung der Spule den Wirkungsgrad verschlechtern.
Ein besonderes Merkmal des BD9G500EFJ ist seine flexible, zwischen 100 und 650 kHz einstellbare Schaltreglerfrequenz. Mithilfe dieser Funktion ist es möglich, die Effizienz einer Stromversorgungslösung mit Rücksicht auf die Auswahl der externen passiven Bauelemente zu optimieren. Je nach Anforderung an die Stromversorgung kann mit dem Baustein bei niedriger Schaltreglerfrequenz eine Hochstromlösung mit hohem Wirkungsgrad generiert werden.
Integrierter MOSFET bringt Vorteile
Rohm hat aus diesem Grund bei der IC-Entwicklung ein besonderes Augenmerk auf die Auslegung des integrierten Highside-MOSFETs gelegt, der mit nur wenigen Milliohm einen wichtigen Beitrag zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades erzielt. Der Wirkungsgrad beträgt bei einer Eingangsspannung von 7 V und bei 100 mA Ausgangsstrom 95 Prozent. Selbst bei Volllast des Systems erzielt ein Schaltregler mit dem neuen IC BD9G500EFJ einen Wirkungsgrad von deutlich über 85 Prozent. Zahlreiche, im IC integrierte Schutzfunktionen, wie Over Voltage Protection, Under Voltage Lockout, Thermal Shutdown und Over Current Protection, bieten die nötigen Überwachungsmöglichkeiten und gewährleisten eine zuverlässige, sichere Funktionsweise einer Stromversorgung.
Zeitdruck bei der Entwicklung und steigende Komplexität der Leiterplatten erfordern ein einfaches und schnelles Stromversorgungsdesign mit DC/DC-Schaltreglern. Rohm konzentriert sich deshalb auf eine umfangreiche Integration von externen Bauteilen. Hierzu gehört ein MOSFET am Ausgang des Schaltreglers. Durch die Implementierung des MOSFETs in das Gehäuse des DC/DC-Schaltregler-ICs wird die Entwicklungszeit der Stromversorgung enorm verkürzt. Zudem wird der Platzbedarf auf der gesamten Leiterkarte um ein Drittel reduziert und die BOM-Kosten zusätzlich gesenkt.
Fazit
Bei Rohms neuem Produkt BD9G500EFJ handelt es sich um einen asynchronen, nicht-isolierten Current-Mode-DC/DC-Schaltregler-IC mit einem breiten Eingangsspannungsbereich von 7 bis 76 VDC. Der IC eignet sich ideal für Schaltungen in der Industrie oder der Kommunikationstechnik, wo bipolare Spannungsversorgungen mit ±12 VDC benötigt werden. Die integrierten Funktionen, wie eine einstellbare Schaltregler Frequenz, Soft Start, Over Current Protection, Under Voltage Lockout und Thermal Shutdown oder Over Voltage Protection kommen in DC/DC-Schaltreglern zum Einsatz.
Weitere Eigenschaften sind eine geringe Ruhestromaufnahme, ein hoher Ausgangsstrom und ein integrierter Highside-MOSFET mit geringem Drain-Source-Widerstand. Alle Funktionen und Komponenteneigenschaften sind vereint in einem HTSOP-J8-Gehäuse.
Die hohe Funktionsvielfalt ermöglicht das Design eines DC/DC-Schaltreglers mit weitem Eingangsspannungsbereich, der ein breites Applikationsspektrum an Stromversorgungen mit hohen Transienten abdeckt und die Realisierung von Stromversorgungen mit hohen Ausgangsströmen und bipolaren Ausgangsspannungen ermöglicht.
