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Wenn kleiner besser ist
Seit vielen Jahren gibt es auf dem Markt sogenannte Power Module. Diese sind fertige Spannungswandler, meist getaktet, welche einfach auf eine Platine gelötet werden können und ihre Aufgabe eine Eingangsspannung in eine geregelte Ausgangsspannung zu wandeln erfüllen.
Im Vergleich zu einem Schaltregler IC, wo meist nur die Steuerung sowie die Leistungsschalter in einen Chip integriert sind, bieten Power Module auch die Integration von vielen passiven Bauteilen. Üblicherweise spricht man von einem Power Modul, wenn die Spule integriert wird. Bild 1 zeigt die notwendigen Bauteile für einen getakteten Abwärtswandler (Buck Topologie). Die gestrichelten Linien zeigen den Umfang eines Schaltregler ICs sowie den Umfang eines Power Moduls. Der Entwicklungsprozess der Spannungswandlerschaltung wird bei solchen Bausteinen vom Hersteller des Power Moduls übernommen und der Anwender muss kein Stromversorgungsexperte sein. Neben diesem Vorteil gibt es noch weitere. Durch die hohe Integration innerhalb des Moduls kann die Baugröße der getakteten Spannungsversorgung besonders klein sein.
Bild 1. Ein Step-Down (Buck) Schaltregler, hoch integriert mit Spule in einem Power Module
Alle externen Bauteile können meistens nicht integriert werden. Das hat eine einfache Ursache. Sollen beispielsweise bestimmte Einstellungen wie beispielsweise die Schaltfrequenz oder auch die Dauer des Sanftanlaufes einstellbar sein, muss der Schaltung mittgeteilt werden, was sie tun soll. Dies wäre auf digitale Weise möglich. Hierzu würde man jedoch einen Microkontroller und nichtflüchtigen Speicher benötigen mit entsprechenden Kostn. Um diesen Aufwand zu umgehen, werden solche Einstellungen gerne mit externen, passiven Komponenten getätigt.
Eingangs- sowie Ausgangskondensatoren werden teilweise in Power Module integriert, teilweise aber auch extern benötigt. Bild 2 zeigt eine Schaltung mit dem neuen LTM8074 von Analog Devices. Das ‚M‘ in der Bauteilebezeichnung steht für Micro Modul, also µModule. Alle Power Module von Analog Devices werden als µModule bezeichnet.
Bild 2. LTM8074 Vin bis 40V, 1.2A Ausgangsstrom in nur 4mmx4mm Bauform
Um die Typenvielfalt zu reduzieren, sowie eine gewisse Flexibilität für die Anwendung zu bieten, wird die gewünschte Ausgangsspannung mit nur einem externen Widerstand eingestellt. Wenn kein Sanftanlauf benötigt wird, muss kein Kondensator an den entsprechenden Pin angeschlossen werden. All diese Fähigkeiten ermöglichen eine Spannungswandlung auf extrem kleiner Platinenfläche. Bei nur 4mm x 4mm Kantenlänge des LTM8074 und einer minimalen externen Beschaltung kann die komplette Spannungswandlung bei nur ca. 8mm x 8mm Platinenfläche betrieben werden. Dies bei einer Eingangsspannung bis 40V und einem zulässigen Ausgangsstrom bis 1,2A. Bild 3 zeigt ein Beispiellayout mit den minimal benötigten externen Bauteilen.
Bild 3. Beispiellayout auf ca. 8mmx8mm Platinenfläche
Für kleine Spannungsversorgungen ist es auch sehr wichtig, eine besonders hohe Wandlungseffizienz zu bieten. Ansonsten gäbe es potentiell Probleme mit der Ableitung von Verlustwärme.
Hoch integrierte Power Module sind nicht nur dazu geeignet den Entwurf einer getakteten Spannungsversorgung zu vereinfachen, sondern sind auch nützlich eine effiziente Spannungswandlung auf extrem kleinem Bauraum zu ermöglichen. Der neue LTM8074 bietet sich hierfür besonders an, da er extrem klein ist. Durch seine integrierte Silent Switcher Technologie kann er sogar in Schaltungen eingesetzt werden, die besonders störempfindlich sind und üblicherweise von Linearreglern versorgt werden.
Autor: Frederik Dostal, © Analog Devices
Bild 1. Ein Step-Down (Buck) Schaltregler, hoch integriert mit Spule in einem Power Module
Alle externen Bauteile können meistens nicht integriert werden. Das hat eine einfache Ursache. Sollen beispielsweise bestimmte Einstellungen wie beispielsweise die Schaltfrequenz oder auch die Dauer des Sanftanlaufes einstellbar sein, muss der Schaltung mittgeteilt werden, was sie tun soll. Dies wäre auf digitale Weise möglich. Hierzu würde man jedoch einen Microkontroller und nichtflüchtigen Speicher benötigen mit entsprechenden Kostn. Um diesen Aufwand zu umgehen, werden solche Einstellungen gerne mit externen, passiven Komponenten getätigt.
Eingangs- sowie Ausgangskondensatoren werden teilweise in Power Module integriert, teilweise aber auch extern benötigt. Bild 2 zeigt eine Schaltung mit dem neuen LTM8074 von Analog Devices. Das ‚M‘ in der Bauteilebezeichnung steht für Micro Modul, also µModule. Alle Power Module von Analog Devices werden als µModule bezeichnet.
Bild 2. LTM8074 Vin bis 40V, 1.2A Ausgangsstrom in nur 4mmx4mm Bauform
Um die Typenvielfalt zu reduzieren, sowie eine gewisse Flexibilität für die Anwendung zu bieten, wird die gewünschte Ausgangsspannung mit nur einem externen Widerstand eingestellt. Wenn kein Sanftanlauf benötigt wird, muss kein Kondensator an den entsprechenden Pin angeschlossen werden. All diese Fähigkeiten ermöglichen eine Spannungswandlung auf extrem kleiner Platinenfläche. Bei nur 4mm x 4mm Kantenlänge des LTM8074 und einer minimalen externen Beschaltung kann die komplette Spannungswandlung bei nur ca. 8mm x 8mm Platinenfläche betrieben werden. Dies bei einer Eingangsspannung bis 40V und einem zulässigen Ausgangsstrom bis 1,2A. Bild 3 zeigt ein Beispiellayout mit den minimal benötigten externen Bauteilen.
Bild 3. Beispiellayout auf ca. 8mmx8mm Platinenfläche
Für kleine Spannungsversorgungen ist es auch sehr wichtig, eine besonders hohe Wandlungseffizienz zu bieten. Ansonsten gäbe es potentiell Probleme mit der Ableitung von Verlustwärme.
Hoch integrierte Power Module sind nicht nur dazu geeignet den Entwurf einer getakteten Spannungsversorgung zu vereinfachen, sondern sind auch nützlich eine effiziente Spannungswandlung auf extrem kleinem Bauraum zu ermöglichen. Der neue LTM8074 bietet sich hierfür besonders an, da er extrem klein ist. Durch seine integrierte Silent Switcher Technologie kann er sogar in Schaltungen eingesetzt werden, die besonders störempfindlich sind und üblicherweise von Linearreglern versorgt werden.Autor: Frederik Dostal, © Analog Devices
