Heutige Entwickler von Stromversorgungssystemen müssen schnell wechselnde Lastbedingungen berücksichtigen, transientenfreie Stromleitungen mit engsten Toleranzen realisieren und all dies auf immer kleinerem Raum realisieren. In diesem Fachartikel beleuchten wir einige der wichtigsten Herausforderungen für die Entwickler solcher Systeme, insbesondere das Rauschmanagement von Umrichtern, Produktions- und Zertifizierungsprobleme sowie die Notwendigkeit, die Größe von Leiterplatten weiter zu reduzieren.
Einführung
Die Rolle von Entwicklern elektrischer Systeme entwickelt sich stetig weiter. Der Energiebedarf wird immer vielfältiger, nicht nur aufgrund der unterschiedlichen Energiequellen (Solar, Energiegewinnungstechnologien, Batterien, Power over Ethernet, induktive oder netzbasierte Stromversorgung), sondern auch aufgrund der spezifischen Anforderungen an die einzelnen Stromleitungen. Auch die Halbleiterentwicklung wird immer komplexer, und die Stromversorgung dieser Geräte kann entweder sehr teuer oder sehr günstig sein. Wir sehen alles von extrem stromsparenden, energieautarken drahtlosen SoCs bis hin zu sequenziellen Hochstrom-Stromleitungen für Hochleistungsrechner-FPGAs und Inferenzprozessoren.
Das Problem von Transienten und elektromagnetischen Störungen
Transienten können in Stromleitungen aus verschiedenen Quellen auftreten. Hohe Schaltpegel (dv/dt), wie sie beispielsweise in industriellen Motorantrieben verwendet werden, sind eine häufige Ursache für beträchtliche transiente Spannungen. Werden diese Transienten nicht durch passive Filterkomponenten unterdrückt, können sie die Schalttransistoren sowie die zugehörigen Treiber und Schaltungen dauerhaft beschädigen. Viele Netzteile verwenden eine Schalttopologie, wie z. B. Abwärts-, Aufwärts- oder Abwärts-Aufwärts-Wandler, um die Eingangsleistung in die benötigten Ausgangsspannungen umzuwandeln. Obwohl dies ein gängiges, effizientes und bewährtes Wandlungsverfahren ist, kann der Schaltvorgang selbst elektromagnetische Störungen erzeugen, die in die Stromleitungen gelangen und sich ausbreiten. Herkömmliche Filtertechniken können zwar zur Unterdrückung von Schalttransienten in Stromleitungen eingesetzt werden; wie wir später sehen werden, können Transienten jedoch in einigen sehr empfindlichen Steuerungsanwendungen den Schaltungsbetrieb dennoch stören. Das emittierte Rauschen erhöht die Komplexität des Schaltungsdesigns und damit wahrscheinlich auch die Kosten. Beispielsweise kann eine Metall- oder Folienabschirmung um die Wandlerschaltung erforderlich sein, was zusätzliche Produktionsschritte und Bauteilkosten mit sich bringt. Viele Schaltregler-ICs arbeiten mit einer festen Schaltfrequenz zwischen 1,5 und 1,8 MHz. Dieser Bereich liegt am oberen Ende des AM-Radiobandes und kann in manchen Anwendungen, wie beispielsweise Infotainment-Systemen in Autos, problematisch sein. Eine Alternative ist die Wahl einer Schaltfrequenz, die weniger Probleme verursacht.
Ein Beispiel hierfür ist der Texas Instruments TPS6281x-Q1. Dieses Bauteil ist AEC-Q100-zertifiziert für die Automobilindustrie und verfügt über eine Standard-Schaltfrequenz von 2,25 MHz (einstellbar auf 1,8–4 MHz mittels eines Widerstands). Die Schaltfrequenz kann auch über einen externen Taktgeber bezogen werden. Zudem kann der Wandler im Spread-Spectrum-Verfahren betrieben werden, bei dem die Wandlerfrequenz zufällig um bis zu 288 kHz über der nominalen Schaltfrequenz variiert.
Selbst mit optimalen Filtertechniken können geringfügige Störungen durch das Schalten des Wandlers hochempfindliche Messungen beeinträchtigen, beispielsweise die Überwachung von Vitalfunktionen oder Test- und Messanwendungen. In solchen Fällen ist der TPS62840 von Texas Instrumentsmit einem Nennstrom von 750 mA und einer Betriebsspannung von 1,8–6,5 V ideal. Dieses Bauteil zeichnet sich durch einen extrem niedrigen Standby-Strom (typischerweise 60 nA) und einen STOP-Pin aus, mit dem der Wandler kurzzeitig angehalten werden kann, um Schaltgeräusche zu eliminieren. Ein Stützkondensator am Ausgang des Wandlers sorgt für die kontinuierliche Stromversorgung der Anwendung und einen störungsfreien Betrieb (siehe Abbildung 1). Diese Technik unterstützt nicht nur hochempfindliche Messungen, sondern verbessert auch das Signal-Rausch-Verhältnis in schmalbandigen Funkverbindungen.
Abbildung 1: STOP-Funktion des Texas Instruments TPS62840 Abwärtswandlers (Quelle: Texas Instruments).
Ein kompakteres Design
Der verfügbare Platz für Elektronik wird zunehmend knapper, nicht nur bei Unterhaltungselektronik, sondern auch in der industriellen Automatisierung. In Produktionsanlagen ist der Platz begrenzt, und oft muss die gesamte Steuerungstechnik für eine Produktionsanlage in einem einzigen Schaltschrank untergebracht werden. Viele Entwickler und Ingenieurteams im Bereich der Stromversorgungssysteme untersuchen daher modulare Lösungsansätze. Auch in der Elektronik wird die Debatte zwischen modularem und diskretem Design geführt, und das Energiemanagement bildet hier keine Ausnahme. Module ermöglichen nicht nur eine höhere funktionale Integration, sondern verkürzen auch die Markteinführungszeit und vermeiden die Nachteile, die durch den Bedarf an immer spezialisierteren Entwicklern für Stromversorgungssysteme im Entwicklungsteam entstehen. DC/DC-Wandler beispielsweise sind seit Langem als ultrakompakte Geräte verfügbar, deren Abmessungen den Industriestandards entsprechen. Entwickler elektrischer Module haben gelernt, den Schaltregler-IC und mehrere zugehörige Komponenten in ein kompaktes Modul mit optimierter Wärmeableitung und optimierten Komponentenmaterialien zu integrieren. Texas Instruments hat dieses Konzept weiterentwickelt und ein Modul geschaffen, das eine der größten Komponenten, die Induktivität, direkt in das Design integriert. Das TPSM82822 misst nur 2,0 × 2,5 × 1,1 mm und ist im 10-poligen MicroSIP-Gehäuse, einem Industriestandard, erhältlich. Diese synchronen PWM-Abwärtswandler sind in 1-A- oder 2-A-Versionen verfügbar und verfügen über einen Energiesparmodus zur Steigerung der Effizienz bei geringer Last; der Standby-Strom kann bis zu 4 µA betragen. Das Modul arbeitet mit Eingangsspannungen von 2,4–5,5 V DC und liefert eine einstellbare Ausgangsspannung von 0,6–4 V DC. Der Wirkungsgrad liegt typischerweise bei bis zu 95 %.
ein Evaluierungsboard (TPSM82822EVM) zur Verfügung (siehe Bild 2 ).
Bild 2: Texas Instruments TPSM82822EVM Evaluierungsboard für das hocheffiziente Abwärtswandlermodul TPSM82822 mit integrierter Induktivität (Quelle: Texas Instruments).
Probleme bei Produktionstests und Inspektionen
Ein Großteil der gängigsten Schaltwandler-ICs wird im Standard-QFN-Gehäuse gefertigt. Obwohl dieses Format praktisch und seit Langem etabliert ist, eignet es sich nicht für die in der Automobilindustrie während der Montage geforderten Sichtprüfungen (siehe Abbildung 3). Wie in den Abbildungen links, oben und unten zu sehen ist, liegt die Lötstelle eines Standard-QFN-Gehäuses typischerweise unter dem Bauteil, anstatt in die Leiterplatte eingebettet zu sein. Nur ein kleiner Teil des Lots ist von der Seite sichtbar, was die Sichtprüfung erschwert. Ist das Bauteil vollständig verlötet oder gibt es kalte Lötstellen? Um diese Unsicherheit zu beseitigen, hat Texas Instruments ein verbessertes QFN-Gehäuse mit beschichteten Seitenflächen entwickelt. Dadurch vergrößert sich die sichtbare Lötfläche. Diese „benetzbaren Seiten“ (siehe Abbildung 3, rechts) bieten eine größere, besser sichtbare Lötstelle und beseitigen somit jegliche Zweifel an der vollständigen und zuverlässigen Verbindung des Bauteils mit der Leiterplatte.
Abbildung 3: Benetzbare Seiten des Abwärtswandlers TPS62810 von Texas Instruments für den Automobilsektor (Quelle: Texas Instruments).
Zertifizierungen für eigensichere Stromversorgungskonzepte
Mit der zunehmenden Verbreitung von Anwendungen im industriellen Internet der Dinge (IIoT) und anderen Initiativen zur Fabrikautomatisierung finden elektronische Systeme vermehrt Anwendung in Industrie- und Gewerbeanlagen. Einige dieser Anlagen müssen eigensichere Vorschriften erfüllen, da sie in Umgebungen eingesetzt werden, die gefährliche oder explosive Flüssigkeiten oder Gase enthalten können. Für Elektroingenieure stellt dies eine erhebliche technische Herausforderung dar, da die elektrische Wandlung häufig mit Wärmeentwicklung verbunden ist. Darüber hinaus können je nach Anwendung Spannungen entstehen, die zu Lichtbögen in Bauteilen führen oder Bauteile aufgrund von Fehlfunktionen explodieren lassen können.
Die ATEX-Richtlinie dient dazu, das Zündrisiko in explosionsgefährdeten Bereichen zu minimieren oder zu eliminieren. Die Gefahren von Gasen, Dämpfen oder Sprays werden in drei Zonen eingeteilt. Bei integrierten Leistungsschaltungen gelten elektrische Funken und hohe Oberflächentemperaturen als wahrscheinliche Zündquellen. Beispielsweise beträgt die maximal zulässige Temperatur für einen intelligenten Gaszähler je nach Gehäusegröße 244 °C oder 275 °C. Die Entwicklung eines festverdrahteten Wandler-ICs mit ausreichendem Abstand zwischen den Anschlüssen trägt dazu bei, die elektrische Belastung und die Funkenbildung, auch in feuchter Umgebung, zu reduzieren. Eine weitere Anforderung ist ein Gehäuseformat, das eine effektive Wärmeableitung gewährleistet, sodass die maximal zulässige Temperatur nicht erreicht wird. Der Texas Instruments TPS62840 ist in einem thermisch optimierten 3 × 5 mm HVSSOP-8-Gehäuse erhältlich. Er verwendet eine auf dem IC-Substrat angebrachte Kupferplatte, die die gesamte Wärme ableitet, sodass die maximale Temperatur nicht überschritten wird.
Abschluss
Das Energiemanagement entwickelt sich ständig weiter. Energie ist für jedes Design unerlässlich, und es wird immer wichtiger, sie so bereitzustellen, dass die Anwendungsleistung nicht beeinträchtigt wird. In diesem Artikel haben wir einige der Herausforderungen für Entwickler von Stromversorgungssystemen und eingebetteten Systemen erörtert. Weitere Informationen zu den Leistungswandler-ICs von Texas Instruments finden Sie hier.
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