10.10.2015

Vollintegrierte Power-Module mit hoher Leistungsdichte

Integrierte Stromversorgungsmodule (Power-Module) finden sich immer h√§ufiger im schnelllebigen Markt f√ľr Elektronikger√§te, in der Industrie und in anspruchsvollen Marktsegmenten. Kleine und gro√üe Unternehmen haben diesen Ansatz √ľbernommen, da er die Entwicklungszeit von Stromversorgungen um Monate verk√ľrzt. Auch das Prototyping und die Fehlerbeseitigung er√ľbrigen sich fast, was eine schnellere Markteinf√ľhrung garantiert.



Bild 1:Anwendungsbeispiel f√ľr das XR79115-Modul (zum Vergr√∂√üern bitte auf die Grafik klicken)
Bild 2:Einschwingverhalten des Moduls XR79115 (zum Vergrößern bitte auf die Grafik klicken)
Bild 3:Unteransicht des XR79115 QFN-Gehäuses (zum Vergrößern bitte auf die Grafik klicken)
Bild 4: vWirkungsgrad des XR79115 bei UIN = 12 V und fs = 600 kHz (zum Vergrößern bitte auf die Grafik klicken)
Bild 5: Infrarot-Aufnahme des Demo-Boards bei UOUT = 3,3 V und einem Laststrom von 15 A (zum Vergrößern bitte auf die Grafik klicken)
Tabelle 1: Vergleich der Power-Module XR79110 und XR79115 (zum Vergrößern bitte auf die Tabelle klicken)

Autor: Alan Elbanhawy, Principal Applications Engineer Exar

Exar stellte vor kurzem seine neuesten Power-Module vor: Das XR79110 und XR79115 sind die branchenweit ersten Lösungen im QFN-Gehäuse, die nur wenige Widerstände und Kondensatoren benötigen. Die Ausgangsleistung reicht bis zu 75 W bei 15 A. Welche Vorteile haben die Power-Module?


Hohe Integration

  • Perfekte Anpassung des Steuerungs-ICs und der Stromversorgungskomponenten
  • Keine Beschaffung, Auswahl und Tests von MOSFETs und Induktivit√§ten
  • Vereinfachtes PCB-Layout verk√ľrzt die Entwicklungszeit



Hochleistungsfähiges Gehäuse

  • 10 A mit 10 mm x 10 mm x 4 mm QFN-Geh√§use
  • 15 A mit 15 mm x 15 mm x 4 mm QFN-Geh√§use
  • Hervorragendes W√§rmeverhalten
  • Wenig bis gar kein Thermal Derating
  • Hohe Zuverl√§ssigkeit
  • 260 ¬įC Lot-Temperatur mit MSL 2A Rating
  • Minimale elektromagnetische St√∂rungen (EMI)




Hochleistungsfähige Regelung

  • Patentierte emulierte Current-Mode-COT-Regelung sorgt f√ľr schnelles Einschwingverhalten
  • Keine externe Kompensation erforderlich durch Keramikkondensatoren am Ausgangsfilter
  • Garantierte stabile Regelschleife unter allen Bedingungen verk√ľrzt die Entwicklungszeit
  • Hohe Wandlungseffizienz minimiert interne Verluste




Herausforderungen in der Entwicklung


In den letzten Jahren hat die Elektronikindustrie immer mehr Funktionen in immer kleinere Geh√§use gepackt und daf√ľr immer weniger Geld verlangt. Die Branche begibt sich damit in eine Richtung, die hohen Druck auf die Bauteilhersteller aus√ľbt, um dieses bewegliche Preis-/Gr√∂√üen-/Leistungsziel zu erf√ľllen. Heutige Power-Module m√ľssen klein, energieeffizient und vor allem preislich wettbewerbsf√§hig sein ‚Äď gerade im Vergleich zu diskreten L√∂sungen und anderen Modulen am Markt. Das XR79110 und XR79115 von Exar erlaubt Entwicklern von Endger√§ten, eine voll funktionsf√§hige Stromversorgung in k√ľrzester Zeit zu integrieren ‚Äď und das bei kleinster Baugr√∂√üe, h√∂chster Leistungsf√§higkeit und zu einem g√ľnstigen Preis.



Integrierte Power-Module verringern die St√ľckliste und die Entwicklungsdauer

Bild 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Moduls XR79115. Nur wenige externe Bauteile sind zum Einstellen der Ausgangsspannung, f√ľr die Sequenzierung und das Fehlermanagement erforderlich. Keine externe Kompensation ist erforderlich, wenn Keramikkondensatoren f√ľr die Ausgangsfilter verwendet werden. Damit verk√ľrzt sich die Entwicklungsdauer, da eine Worst-Case-Analyse (WCA) oder Monte-Carlo-Analyse zur Gew√§hrleistung eines stabilen Regelkreises unter allen Bedingungen nicht erforderlich ist. ‚ÄÉ


Zahlreiche Schutzfunktionen gegen √úberstrom, √úbertemperatur, Kurzschluss und Unterspannung (UVLO) sorgen f√ľr einen sicheren Betrieb unter abnormalen Betriebsbedingungen. Zu den weiteren Funktionen z√§hlen:

  • Programmierbarer Soft-Start
  • Programmierbare Hiccup-Strombegrenzung mit Temperaturkompensation
  • Precision Enable und Power-Good Flag
  • Integrierte Bootstrap-Diode



Hinzu kommt, dass nur ein geringes oder gar kein Derating f√ľr diese Power-Module erforderlich ist, da ihre hohe Wandlungseffizienz interne Verluste minimiert. Beide Geh√§use bieten einen guten Sperrschicht-Geh√§use-W√§rmewiderstand und sind f√ľr ein effizientes PCB-Layout optimiert.


Das XR79110 und XR79115 kann in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen und somit zahlreiche passive Bauelemente ersetzen. Dies spart Entwicklungszeit und F&E-Kosten und optimiert die Time-to-Market als auch die Produktpositionierung zum Wettbewerb.



Constant On-Time (COT) Controller f√ľr schnelles Einschwingverhalten

Die Power-Module XR79110 und XR79115 basieren auf dem synchronen Abw√§rtswandler XRP6141 f√ľr Point-of-Load-(POL-)Stromversorgungen. Der breite Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 22 V erlaubt einen Single-Supply-Betrieb an 5-, 12- und 19,6V-Versorgungsschienen. Mit einer propriet√§ren emulierten Current-Mode Constant On Time (COT) Regelung bietet der Regler ein schnelles Netz- und Last-Einschwingverhalten mittels Keramikkondensatoren am Ausgang.


Die Regelschleife sorgt f√ľr eine genaue Netz- und Lastregelung und h√§lt eine nahezu konstante Betriebsfrequenz. Eine Schleifenkompensation ist nicht erforderlich, was die Schaltkreisimplementierung vereinfacht und die Gesamtbauteilanzahl verringert.


Ein wählbarer Stromsparmodus erlaubt den Betrieb im diskontinuierlichen Modus (DCM) bei geringer Last, was den Wirkungsgrad des Wandlers wesentlich erhöht. Bild 2 zeigt das schnelle Einschwingverhalten des Power-Moduls von DCM zu CCM mit nur geringen Ausgangsspannungsstörungen.



QFN-Gehäuse optimiert Thermal Performance und elektrische Eigenschaften

QFN-Gehäuse bieten gute thermische und elektrische Eigenschaften zu einem wettbewerbsfähigen Preis und sind einfacher platzierbar als LGA- und BGA-Gehäuse. Die QFN-Gehäuse des XR79110 und XR79115 sind auf maximale Leistungsfähigkeit und minimalen Platzierungs-/Layout-Aufwand ausgelegt. Das 15A/12V-XR79115-Gehäuse ist kleiner als bestehende Lösungen am Markt.


Bild 3 zeigt die Unteransicht des XR79115-Geh√§uses. Beide Geh√§use enthalten mehrere Hochstrom-Pads, die eine hervorragende Thermal Performance und minimale EMI garantieren. Ein geringer W√§rmewiderstand von allen verlustleistungserzeugenden Komponenten in die entsprechenden Pads wird gew√§hrleistet. Dieser Ansatz garantiert niedrige parasit√§re Induktivit√§ten und Widerst√§nde f√ľr die Hochstrom-Pfade. ‚ÄÉ



Der Stromversorgungsstrang

Der Stromversorgungsstrang des XR79110 und XR79115 ist auf h√∂chsten Wirkungsgrad √ľber einen weiten Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich und Laststr√∂me von wenigen mA bis Volllast ausgelegt. Bild 4 zeigt den Wirkungsgrad des Moduls XR79115 bei 12 V Eingangsspannung und Str√∂men im mittleren Lastbereich (>93%). Bei 100 mA werden immer noch bis zu 81% Wirkungsgrad erreicht. Beide Module k√∂nnen mit Schaltfrequenzen von 300 bis 800 kHz betrieben werden. ‚ÄÉ



Thermal Performance

Der hohe Wirkungsgrad der Module sorgt f√ľr eine hervorragende Thermal Performance. Bild 5 zeigt eine Infrarot-Aufnahme eines Demo-Boards f√ľr das XR79115-Modul, das mit 600 kHz Schaltfrequenz, 12 V Eingangsspannung, 3,3 V Ausgangsspannung bei 15 A Laststrom und 45 W Ausgangsleistung betrieben wird. Die Leiterplatte ist auf den geringsten W√§rmewiderstand vom Modulgeh√§use bei 25 ¬įC ausgelegt.


Die maximale Temperatur am w√§rmsten Punkt des Moduls betr√§gt 76,9 ¬įC. Erreicht die maximale Modultemperatur 120 ¬įC, arbeitet das Modul bei vollem Laststrom in Umgebungstemperaturen bis 68 ¬įC immer noch ohne Derating. Bei einer niedrigeren Ausgangsspannung erzeugt das Modul weniger Verlustleistung und zeigt bis 85 ¬įC Umgebungstemperatur fast kein Derating.


Das Layout des Demo-Boards steht als Referenz zum Download auf Exars Webseite (www.exar.com) zur Verf√ľgung.



Fazit

Die Entwicklung einer Stromversorgung kann √§u√üerst anspruchsvoll sein, vor allem wenn mehr als 15 Versorgungsschienen bereitgestellt und alle LDOs und Schaltregler in einem einzigen System untergebracht werden sollen. Integrierte Power-Module bieten eine schnelle, kosteng√ľnstige L√∂sung f√ľr die Gr√∂√üen- und Leistungsanforderungen heutiger komplexer Elektronikger√§te. Exars neue Module XR79110 und XR79115 bieten alle Vorteile integrierter Power-Module sowie eine hervorragende Thermal Performance im kleinen QFN-Geh√§use.


 


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