10.10.2015

Vollintegrierte Power-Module mit hoher Leistungsdichte

Integrierte Stromversorgungsmodule (Power-Module) finden sich immer hĂ€ufiger im schnelllebigen Markt fĂŒr ElektronikgerĂ€te, in der Industrie und in anspruchsvollen Marktsegmenten. Kleine und große Unternehmen haben diesen Ansatz ĂŒbernommen, da er die Entwicklungszeit von Stromversorgungen um Monate verkĂŒrzt. Auch das Prototyping und die Fehlerbeseitigung erĂŒbrigen sich fast, was eine schnellere MarkteinfĂŒhrung garantiert.



Bild 1:Anwendungsbeispiel fĂŒr das XR79115-Modul (zum VergrĂ¶ĂŸern bitte auf die Grafik klicken)
Bild 2:Einschwingverhalten des Moduls XR79115 (zum VergrĂ¶ĂŸern bitte auf die Grafik klicken)
Bild 3:Unteransicht des XR79115 QFN-GehĂ€uses (zum VergrĂ¶ĂŸern bitte auf die Grafik klicken)
Bild 4: vWirkungsgrad des XR79115 bei UIN = 12 V und fs = 600 kHz (zum VergrĂ¶ĂŸern bitte auf die Grafik klicken)
Bild 5: Infrarot-Aufnahme des Demo-Boards bei UOUT = 3,3 V und einem Laststrom von 15 A (zum VergrĂ¶ĂŸern bitte auf die Grafik klicken)
Tabelle 1: Vergleich der Power-Module XR79110 und XR79115 (zum VergrĂ¶ĂŸern 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-GehÀuse, die nur wenige WiderstÀnde 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 InduktivitĂ€ten
  • Vereinfachtes PCB-Layout verkĂŒrzt die Entwicklungszeit



HochleistungsfÀhiges GehÀuse

  • 10 A mit 10 mm x 10 mm x 4 mm QFN-GehĂ€use
  • 15 A mit 15 mm x 15 mm x 4 mm QFN-GehĂ€use
  • Hervorragendes WĂ€rmeverhalten
  • Wenig bis gar kein Thermal Derating
  • Hohe ZuverlĂ€ssigkeit
  • 260 °C Lot-Temperatur mit MSL 2A Rating
  • Minimale elektromagnetische Störungen (EMI)




HochleistungsfÀhige Regelung

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




Herausforderungen in der Entwicklung


In den letzten Jahren hat die Elektronikindustrie immer mehr Funktionen in immer kleinere GehĂ€use gepackt und dafĂŒr immer weniger Geld verlangt. Die Branche begibt sich damit in eine Richtung, die hohen Druck auf die Bauteilhersteller ausĂŒbt, um dieses bewegliche Preis-/GrĂ¶ĂŸen-/Leistungsziel zu erfĂŒllen. Heutige Power-Module mĂŒssen klein, energieeffizient und vor allem preislich wettbewerbsfĂ€hig sein – gerade im Vergleich zu diskreten Lösungen und anderen Modulen am Markt. Das XR79110 und XR79115 von Exar erlaubt Entwicklern von EndgerĂ€ten, eine voll funktionsfĂ€hige Stromversorgung in kĂŒrzester Zeit zu integrieren – und das bei kleinster BaugrĂ¶ĂŸe, höchster LeistungsfĂ€higkeit und zu einem gĂŒnstigen Preis.



Integrierte Power-Module verringern die StĂŒckliste und die Entwicklungsdauer

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


Zahlreiche Schutzfunktionen gegen Überstrom, Übertemperatur, Kurzschluss und Unterspannung (UVLO) sorgen fĂŒr einen sicheren Betrieb unter abnormalen Betriebsbedingungen. Zu den weiteren Funktionen zĂ€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 fĂŒr diese Power-Module erforderlich ist, da ihre hohe Wandlungseffizienz interne Verluste minimiert. Beide GehĂ€use bieten einen guten Sperrschicht-GehĂ€use-WĂ€rmewiderstand und sind fĂŒr 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 fĂŒr schnelles Einschwingverhalten

Die Power-Module XR79110 und XR79115 basieren auf dem synchronen AbwĂ€rtswandler XRP6141 fĂŒr 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 proprietĂ€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 fĂŒr eine genaue Netz- und Lastregelung und hĂ€lt eine nahezu konstante Betriebsfrequenz. Eine Schleifenkompensation ist nicht erforderlich, was die Schaltkreisimplementierung vereinfacht und die Gesamtbauteilanzahl verringert.


Ein wÀhlbarer 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-GehÀuse optimiert Thermal Performance und elektrische Eigenschaften

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


Bild 3 zeigt die Unteransicht des XR79115-GehĂ€uses. Beide GehĂ€use enthalten mehrere Hochstrom-Pads, die eine hervorragende Thermal Performance und minimale EMI garantieren. Ein geringer WĂ€rmewiderstand von allen verlustleistungserzeugenden Komponenten in die entsprechenden Pads wird gewĂ€hrleistet. Dieser Ansatz garantiert niedrige parasitĂ€re InduktivitĂ€ten und WiderstĂ€nde fĂŒr die Hochstrom-Pfade.  



Der Stromversorgungsstrang

Der Stromversorgungsstrang des XR79110 und XR79115 ist auf höchsten Wirkungsgrad ĂŒber einen weiten Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich und Lastströme von wenigen mA bis Volllast ausgelegt. Bild 4 zeigt den Wirkungsgrad des Moduls XR79115 bei 12 V Eingangsspannung und Strömen im mittleren Lastbereich (>93%). Bei 100 mA werden immer noch bis zu 81% Wirkungsgrad erreicht. Beide Module können mit Schaltfrequenzen von 300 bis 800 kHz betrieben werden.  



Thermal Performance

Der hohe Wirkungsgrad der Module sorgt fĂŒr eine hervorragende Thermal Performance. Bild 5 zeigt eine Infrarot-Aufnahme eines Demo-Boards fĂŒr 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 WĂ€rmewiderstand vom ModulgehĂ€use bei 25 °C ausgelegt.


Die maximale Temperatur am wÀrmsten Punkt des Moduls betrÀgt 76,9 °C. Erreicht die maximale Modultemperatur 120 °C, arbeitet das Modul bei vollem Laststrom in Umgebungstemperaturen bis 68 °C immer noch ohne Derating. Bei einer niedrigeren Ausgangsspannung erzeugt das Modul weniger Verlustleistung und zeigt bis 85 °C Umgebungstemperatur fast kein Derating.


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



Fazit

Die Entwicklung einer Stromversorgung kann Ă€ußerst 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, kostengĂŒnstige Lösung fĂŒr die GrĂ¶ĂŸen- und Leistungsanforderungen heutiger komplexer ElektronikgerĂ€te. Exars neue Module XR79110 und XR79115 bieten alle Vorteile integrierter Power-Module sowie eine hervorragende Thermal Performance im kleinen QFN-GehĂ€use.


 


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