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Stromversorgungen Cool-Power-Wandler versorgen komplexe Systeme mit Strom

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

Zur Stromversorgung komplexer Systeme haben sich zwei Konzepte etabliert. Unser Fachbeitrag zeigt, wie sich mit isolierten DC/DC-Wandlern die Vorteile beider Architekturen kombinieren lassen.

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Bild 1: Das obere Blockschaltbild zeigt den vereinfachten Aufbau einer typischen Distributed Power Architecture, das untere den einer Intermediate Bus Architecture
Bild 1: Das obere Blockschaltbild zeigt den vereinfachten Aufbau einer typischen Distributed Power Architecture, das untere den einer Intermediate Bus Architecture

Bei der Versorgung komplexer Systeme mit Energie sind immer mehr präzise geregelte Spannungen und immer höhere Wirkungsgrade gefordert - während der Platz auf der Leiterplatte immer knapper wird. Um diese Forderungen erfüllen zu können, entstanden für große Installationen wie in Netzwerk- und Telekommunikationsanwendungen verschiedene Strukturen wie die in Bild 1 zu sehenden DPA (Distributed Power Architecture) und IBA (Intermediate Bus Architecture).

Bild 1: Das obere Blockschaltbild zeigt den vereinfachten Aufbau einer typischen Distributed Power Architecture, das untere den einer Intermediate Bus Architecture
Bild 1: Das obere Blockschaltbild zeigt den vereinfachten Aufbau einer typischen Distributed Power Architecture, das untere den einer Intermediate Bus Architecture

Bei DPA wird die Netzspannung auf eine Gleichspannung von 36 bis 75 V oder auch 36 bis 60 V gewandelt und auf die Backplane gebracht. Einzelne Wandler erzeugen dann direkt aus dieser Busspannung die von der jeweiligen Last benötigte Spannung.

IBA-Systeme wandeln die Spannung mehrstufig

In einer IBA-Struktur wird die Netzspannung zunächst ebenso wie bei einem DPA-System auf eine Zwischenkreisspannung im gleichen Spannungsbereich umgesetzt. Je nach Spannungsbereich wird diese Spannung dann entweder mit einem nicht geregelten oder einem halbgeregelten, so genannten Intermediate Bus Converter (IBC), weiter herunter gewandelt, um damit die nachgeschalteten, nicht isolierten Point-of Load Wandler (NiPOLs) mit deren engerem Eingangsspannungsbereich zu versorgen. Diese NiPOLs erzeugen dann die von den jeweiligen Lasten benötigten Versorgungsspannungen.

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Die Daten des PI3101
  • Isolierter SMD-DC/DC-Wandler,
  • 25 W/cm³ (3 bis 4x mehr als bisherige Lösungen),
  • Weitbereichseingang für Spannungen von 36 bis 75 V,
  • geregelter 3,3-V-Ausgang mit 18 A,
  • Die Ausgangsspannung lässt sich um ±10% trimmen,
  • Ausgangsleistung 60 W,
  • Im PSiP-Gehäuse (Power-System-in-Package) mit 3,6 cm² Grundfläche und 6,7 mm Bauhöhe,
  • Wirkungsgrad von bis zu 87%,
  • Schaltfrequenz >1 MHz.

Das Evaluierungs-Board PI3101-EVAL1: Mit ihm können Entwickler die grundlegenden Funktionen des DC/DC-Wandlers PI3101 Cool-Power testen
Das Evaluierungs-Board PI3101-EVAL1: Mit ihm können Entwickler die grundlegenden Funktionen des DC/DC-Wandlers PI3101 Cool-Power testen

Alles in allem erzielt eine DPA-Architektur die besten Wirkungsgradwerte, da nur wenige in Serie geschaltete Wandlerstufen eingesetzt werden und die Verluste auf dem Bus gering sind. Allerdings sind Kosten und Platzbedarf höher als bei IBA-Systemen, die jedoch einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad bieten.

So lassen sich die Vorteile von DPA und IBA kombinieren

Ideal wäre es, wenn sich der hohe Wirkungsgrad und die Vorteile in Sachen Komponenten- und Modul-Technologie der DPA mit den Platzeinsparungen der IBA kombinieren ließen. Und das ist nun möglich – und zwar mit den isolierten Wandlern Cool-Power PI3101 der Vicor-Tochter Picor.

Aus einem breiten Eingangsspannungsbereich von 36 bis 75 V liefert dieser kompakte Baustein eine galvanische getrennte Spannung von 3,3 V mit einer Leistung von 60 W und erzielt dabei Leistungsdichtewerte von 400 W/in³ bzw. 105 W/in².

Mit der effizienten, weich schaltenden Topologie und dem integrierte PSiP-Konzept (Power-System-in-Package) konnte ein Wandler realisiert werden, der die Leistung eines 1/16-Bricks liefert, aber mit 22 mm x 16,5 mm x 6,7 mm weniger als halb so groß ist. Dieser Wandler ähnelt eher einem IC als einer Stromversorgung - und er lässt sich in der Produktion auch wie ein IC verarbeiten. Er enthält alle notwendigen Funktionen einer kompletten isolierten und geregelten Stromversorgung mit externen Trimm- und Softstartmöglichkeiten sowie kompletten Schutzfunktionen.

Den Platzbedarf zu reduzieren ist sicher eines der Ziele bei der Entwicklung einer Stromversorgung. Allerdings sollen moderne Systeme auch einen immer höheren Datendurchsatz bieten – und die dafür notwendigen Funktionen und Komponenten benötigen ebenfalls Platz. Deshalb kommt jeder Quadratmillimeter auf der Platine, der bei der Stromversorgung eingespart werden kann, einem höheren Datendurchsatz zugute.

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