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POL-Wandler Alle Komponenten eines POL-Wandlers in der Induktivität integriert

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Induktivitäten sind die größten Komponenten eines POL-Wandlers und schwer zu integrieren. Das PSI2-Konzept ermöglicht kompaktere POL-Wandler, indem alle Bauelemente in die Induktivität integriert werden.

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Erste PSI²-Module von Sumida: Ausgelegt sind sie für einen maximalen Ausgangsstrom von 6 A und in zwei Varianten verfügbar, SPM1004 für 12 V Eingangsspannung und SPM1005 mit einem 5-V-/3,3-V-Eingang.
Erste PSI²-Module von Sumida: Ausgelegt sind sie für einen maximalen Ausgangsstrom von 6 A und in zwei Varianten verfügbar, SPM1004 für 12 V Eingangsspannung und SPM1005 mit einem 5-V-/3,3-V-Eingang.
(Bild: Sumida)

Die meisten Elektronikgeräte benutzen heutzutage ein Stromverteilungssystem mit einer zentralen Stromversorgung und einer Reihe von Punktlastreglern (POL), um die von der Last benötigte Spannung zu liefern, insbesondere für Hochleistungs-ICs und ASICs. Da eine Isolierung nicht benötigt wird, verwenden POLs typischerweise Buck Converter Schalttopologien, um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen.

Während der Fokus auf der Leistungsverbesserung der ICs, Kondensatoren und des kompletten Pakets lag, gab es kaum Fortschritte hinsichtlich der größten Komponente in der POL, der Induktivität. Sumida beschreitet mit seinem neuen Konzept PSI2 einen völlig neuen Weg indem alle Bauteile der POL in der Induktivität integriert werden. Neben einer herausragenden Effizienz bietet das PSI2-Modul noch weitere Vorteile und dies bei minimalen Abmessungen.

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Da die Miniaturisierung der Baugruppen immer weiter fortschreitet, gelten die Bestrebungen nun der Reduzierung der Baugröße der POL. In den letzten Jahren hat sich die Leistungsfähigkeit der Halbleiter soweit verbessert, dass MOSFETs jetzt fast perfekte Schalter sind, und auch Kondensatoren konnten dank neuer Dielektrika sowie verfeinerter Produktionstechniken entscheidend verbessert werden. Bei den magnetischen Komponenten dagegen gab es in dieser Zeit weit weniger Fortschritte und es zeichnen sich auch keine aufregenden Durchbrüche ab. Deshalb wird bei POL-Wandlern nach wie vor der größte Bauraum der Induktivität zugeordnet.

Diskrete Komponenten werden meist nebeneinander vergossen

Die traditionellen POL haben durch die Verwendung diskreter Komponenten auf einer Tochterplatine den Weg zu Low-Profile integrierten Modulen freigemacht, bei denen alle Komponenten in einem einzigen Modul integriert werden. Diese Module, auch unter „Power Supply in Package“ oder „PSiP“ bekannt, werden mittlerweile von einer wachsenden Anzahl von Zulieferern in diesem Format angeboten. Der verfügbare Ausgangsstrom von PSiP-Modulen variiert von einigen mA bis 20 A, wobei die üblichen Anforderungen meist zwischen etwa 3 und 10 A liegen.

Die meisten PSiP-Hersteller verwenden hierbei ein Moduldesign, bei dem die Einzelkomponenten IC, FET-Schalter und Induktivität nebeneinander auf einer kleinen Leiterplatte oder einem Leiterrahmen montiert und durch eine Art Vergussmasse oder Spritzguss-Kunststoffgehäuse, wie in Bild 1 dargestellt, gekapselt werden. Für eine neue Reihe von hocheffizienten POL mit hoher Leistungsdichte und geringem Bauraum hat Sumida nun einen ganz anderen Ansatz gewählt.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 23/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Anstatt der Montage der Induktivität neben den anderen Bauteilen, werden beim Sumida-Modul alle Komponenten in der Induktivität montiert. Das gesamte Modul besteht somit aus magnetischem Material anstatt aus unaktivem Kunststoff und ermöglicht somit das größte Volumen für die Induktionsspule und einen möglichst geringen Gleichstromwiderstand. Sumida nennt diesen Ansatz „Power Supply In Inductor“ oder „PSI2“. Bild 2 veranschaulicht das Konzept des Sumida- PSI2-Moduls.

Eine kleine Auskerbung auf der Unterseite der Induktivität bietet Platz für den Controller, die FETs und andere Komponenten auf der Leiterplatte, welche die Basis des Moduls bildet. Die Unterseite zeigt LGA-Pads. Die Induktivität selbst verwendet einen speziellen Kern sowie eine spezielle Spule und ist dahingehend optimiert, das vorhandene Bauvolumen bestmöglich auszunutzen. Mit der richtigen Wahl des magnetischen Werkstoffes und des Spulendesigns kann diese Technik daher eine überaus hohe POL-Leistung bieten, trotz der kleinen Abmessungen des Low-Profile-Moduls.

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