Flacher Abwärtswandler mit Serienkondensator spart Leiterplattenfläche

 

Autor: Pradeep Shenoy, Texas Instruments

Leiterplattenfläche ist stets begrenzt. In Telekommunikations-, Prüf- und Messsystemen, Computerservern und zahllosen weiteren Anwendungen ist man bestrebt, immer mehr Features und Funktionen in einem bestimmten Volumen unterzubringen. Bei den Leistungswandlern gestaltete es sich die Miniaturisierung in den letzten Jahren leider schwierig, sodass diese Bauteile nach wie vor erheblichen Platz beanspruchen. Abwärtswandler, auf denen die meisten Point-of-Load-Spannungsregler (PoL) basieren, sind hinsichtlich ihrer Fähigkeiten an eine gewisse Grenze gestoßen. Die Schaltfrequenzen bewegen sich bei diesen konventionellen Wandlern mit hohem Spannungsverhältnis meist im dreistelligen Kilohertzbereich.

 

Somit besteht ein eindeutiger Bedarf an einer Alternative, mit der Größenreduzierungen möglich sind. In diesem Artikel geht es um Abwärtswandler mit Serienkondensator und um das Potenzial dieser Bauart, Leiterplattenfläche zu sparen. Mit dieser neuen Abwärtswandler-Topologie lassen sich Flächenbedarf, Höhe und Gewicht der Gesamtlösung reduzieren. Auch der Wirkungsgrad und der Bauteileaufwand werden mit den entsprechenden Eigenschaften konventioneller Abwärtswandler verglichen.

 

Abwärtswandler mit Serienkondensator

Der Abwärtswandler mit Serienkondensator löst zwei entscheidende Probleme, die sich beim Einsatz konventioneller Abwärtswandler in solchen Applikationen einstellen, die nach hoher Schaltfrequenz und einem großen Spannungswandlungs-Verhältnis verlangen. Bei diesen beiden Problemen handelt es sich um die Schaltverluste und die minimale Einschaltzeit. Die Schaltverluste im Wandler nehmen proportional mit der Schaltfrequenz zu und können bei hohen Frequenzen sehr groß werden, sodass die Schaltfrequenz in der Praxis an eine bestimmte Grenze gelangt. Wie in Bild 1 zu sehen ist, müssen die Einschaltzeiten von Wandlern, die mit hoher Schaltfrequenz und kleinem Tastverhältnis arbeiten, sehr kurz sein (kleiner als 30 ns). Typische Abwärtswandler können diese kurzen Einschaltzeiten nicht erreichen, was die maximale Schaltfrequenz ebenfalls begrenzt. 

Bild 1. Timing-Diagramm eines 5-MHz-Abwärtswandlers mit einem Spannungsverhältnis von 10:1

Der in Bild 2 dargestellte Abwärtswandler mit Serienkondensator zielt speziell auf Anwendungen mit hohem Spannungsverhältnis und hoher Schaltfrequenz. Die gezeigte Topologie senkt die Schaltverluste, indem sie die während der Kommutierung an den Schaltern liegende Spannung herabsetzt. Ohne die Effizienz zu beeinträchtigen, kann die Schaltfrequenz deshalb bis auf mehrere Megahertz angehoben werden. In der gleichen Anwendung ist das Tastverhältnis außerdem doppelt so groß wie das eines normalen Abwärtswandlers, sodass die minimale Einschaltzeit nicht mehr so kurz ist. 

Bild 2. Abwärtswandler mit Serienkondensator

Die Arbeitsweise eines Abwärtswandlers mit Serienkondensator ähnelt der eines versetzt betriebenen zweiphasigen Abwärtswandlers, wobei der Serienkondensator den wichtigsten Unterschied ausmacht. Er hilft beim Herabsetzen der Spannung, bei der Energieübertragung und bei der automatischen Aufteilung des Spulenstroms. Die am Schaltknoten anstehenden Spannungen verringern sich durch den Serienkondensator um die Hälfte, was die zu schaltende Spannung und die Schaltverluste senkt. Weitere Einzelheiten zur Funktionsweise des Abwärtswandlers mit Serienkondensator finden sich in [1] und [2].

 

Reduzierter Platzbedarf

Die Vorteile eines Abwärtswandlers mit Serienkondensator im Vergleich zu einem konventionellen Abwärtswandler sind klar erkennbar. Bild 3 zeigt als Beispiel einen Abwärtswandler mit 12 V Eingangsspannung, einem Ausgangsstrom von 10 A und einer Schaltfrequenz von ungefähr 500 kHz. Der Footprint dieses Wandlers beträgt bei Maßen von 22 mm x 12 mm genau 264 mm². Die Spule als größtes Bauelement nimmt dabei den meisten Platz ein, gefolgt von den ebenfalls recht großen Ein- und Ausgangskondensatoren. 

Bild 3. Ein Abwärtswandler in konventioneller Bauart nimmt 264 mm² Leiterplattenfläche ein

Ein Abwärtswandler mit Serienkondensator für dieselbe Anwendung (Bild 4) misst dagegen nur 13,1 mm x 10 mm, was eine Leiterplattenfläche von 131 mm² ergibt, also etwas weniger als die Hälfte des Abwärtswandlers aus Bild 3. Erreicht wird dies durch die Schaltfrequenz von 2 MHz pro Phase, die die Verwendung deutlich kleinerer passiver Bauteile (Spulen und Kondensatoren) erlaubt. 

Bild 4. Der Abwärtswandler mit Serienkondensator begnügt sich mit einer Leiterplattenfläche von 131 mm².

 

Flache Lösung

Der Abwärtswandler mit Serienkondensator lässt sich überdies als sehr flache Lösung implementieren. Eine geringe Bauhöhe aber bietet die Möglichkeit, den Spannungsregler auf der Rückseite einer Leiterplatte oder unter dem Überhang eines Kühlkörpers zu platzieren, was wertvollen Platz auf der Oberseite schafft. Bei herkömmlichen Abwärtswandlern für diesen Ausgangsstrom wäre dies dagegen nicht möglich, weil die Spulen dafür zu groß sind. Bild 5 zeigt das Profil des Abwärtswandlers aus Bild 3 von der Seite. Mit einer Höhe von 4,8 mm ist die Spule dasjenige Bauteil, das die Höhe der Gesamtlösung festlegt. Viele flache Anwendungen erfordern dagegen die Einhaltung einer Maximalhöhe von unter 2,5 mm, was die Verwendung dieses Wandlers von vornherein ausschließt. 

Bild 5. Profil des konventionellen Abwärtswandlers

Als Alternative bietet sich der Abwärtswandler mit Serienkondensator an. Wie Bild 6 zeigt, beträgt seine maximale Höhe 1,2 mm und damit deutlich weniger als die von den meisten flachen Anwendungen vorgegebene Maximalhöhe. Hervorzuheben ist ferner das Gesamtvolumen des Abwärtswandlers mit Serienkondensator von nur 157 mm³, also weniger als das Volumen allein der Spule des konventionellen Abwärtswandlers (232 mm³). Hieran wird deutlich, wie klein und flach der Abwärtswandler mit Serienkondensator ist. 

Bild 6. Profil des Abwärtswandlers mit Serienkondensator

 

Wirkungsgradvergleich

Bild 7 vergleicht den gemessenen Wirkungsgrad des Abwärtswandlers mit Serienkondensator mit dem des konventionellen Abwärtswandlers. Wie man sieht, kommt der Abwärtswandler mit Serienkondensator über den gesamten Laststrombereich auf eine höhere Effizienz, obwohl er pro Phase mit nahezu der vierfachen Schaltfrequenz des konventionellen Wandlers arbeitet. Für diesen Wirkungsgradvergleich wurden für beide Wandlerbauarten Spulen mit gleichem effektiven Gleichstromwiderstand (DCR) gewählt. Dies trägt zu einer gerechteren Gegenüberstellung bei, die die Vorzüge der Schaltungstopologien in den Mittelpunkt stellt. 

Bild 7. Wirkungsgradvergleich zwischen einem mit 2 MHz geschalteten Abwärtswandler mit Serienkondensator und einem konventionellen Abwärtswandler mit 530 kHz Schaltfrequenz

Für den Abwärtswandler mit Serienkondensator können unterschiedlich große Spulen verwendet werden. Wie Bild 8 demonstriert, führen kleinere Spulen tendenziell zu einem geringeren Wirkungsgrad. Das Diagramm gibt Effizienzmessungen mit Spulen vom selben Hersteller und mit gleicher Induktivität wieder. Der höhere DCR der kleineren Spulen erklärt sich daraus, dass ein dünnerer Draht verwendet werden muss, um die benötigte Windungszahl unterzubringen. Der mittlere und obere Laststrombereich wird durch den höheren DCR-Wert stärker beeinflusst, weil hier die Leitungsverluste dominieren.

Bild 8. Wirkungsgradvergleich für unterschiedlich große Spulen

 

Kosten der Bauelemente

Mit einem Abwärtswandler mit Serienkondensator lassen sich der Kosten der Bauelemente verringern, wobei der Großteil der Einsparungen aus den kleineren passiven Bauelementen (mit niedrigeren Induktivitäts- und Kapazitätswerten) resultiert. Tabelle 1 zeigt eine Gegenüberstellung. Die Spule des konventionellen Abwärtswandlers kostet bei geringen Stückzahlen (ab 1.000 Stück) nahezu 3,- US-Dollar, während die beiden Spulen des Abwärtswandlers mit Serienkondensator zusammen weniger als -,50 US-Dollar kosten. Auch die Kondensatorkosten sind beim Abwärtswandler mit Serienkondensator geringer. Der konventionelle Abwärtswandler benötigt eine höhere Ausgangskapazität, um die gleichen dynamischen Spannungsregelungs-Eigenschaften zu erzielen. 

Tabelle 1. Kostenschätzung für die passiven Bauelemente (alle Preisangaben in US-Dollar und für niedrige Stückzahlen)

Fazit

Mit dem Abwärtswandler mit Serienkondensator lassen sich effiziente, mit hoher Frequenz schaltende Spannungsregler realisieren, die erheblich kleiner als konventionelle Wandler sind. Die einzigartige Topologie eignet sich für Point-of-Load-Wandler mit hohem Spannungsverhältnis und weist eine geringere Fläche und Bauhöhe auf als andere Topologien. Die hier vorgestellte flache Lösung mit einer Schaltfrequenz von mehreren Megahertz lässt sich (bei Wandlern mit 10 A Ausgangsstrom) auf der Leiterplattenrückseite oder unter Kühlkörpern platzieren, was bisher nicht möglich war, da die passiven Bauelemente (Spulen und Kondensatoren) zu groß waren. Der direkte Vergleich beider Wandlerbauarten mit 12 V Eingangsspannung und 10 A Ausgangsstrom zeigt, dass der Abwärtswandler mit Serienkondensator in Sachen Platzbedarf, Wirkungsgrad und Kosten dem konventionellen Wandler überlegen ist.

Referenzen

1. Pradeep Shenoy: “Introduction to the Series Capacitor Buck Converter”; Application Report (SVA750A), Mai 2016

2. Pradeep Shenoy: “Step by step: How the series capacitor buck converter works”; TI E2E™ Power House Blog, August 2016

Relevante Websites

Referenzdesign: Tiny, Low Profile 10 A Point-of-load Voltage Regulator (PMP15008)

Video-Schulungsserie: Designing with TI’s Series Capacitor Buck Converter

Produktinformation: TPS54A20 

 


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