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Abwärtswandler - Von der Schaltung zum komplett integrierten Modul

Der Abwärtswandler findet bereits seit einem Jahrhundert Verwendung und ist aus heutigen elektronischen Schaltkreisen nicht mehr wegzudenken. Wie sich aus einem groben elektromechanischen Bauteil eine Aufbaukomponente im Miniaturformat entwickelt hat, die Hunderte von Watt Leistung verarbeiten kann, beschreibt dieser Artikel.

Der Abwärtswandler wandelt eine Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung um. Seine Grundelemente sind in Bild 1 dargestellt. Zunächst ist der Schalter SW1 geschlossen; das heißt, es fließt Strom in die Spule L1. Dadurch steigt der Stromfluss stetig an, bis der Schalter SW1 geöffnet und SW2 geschlossen wird. Somit ändert sich der Stromfluss. Der Kondensator C1 ist ein integrierendes Bauteil; die resultierende Ausgangsspannung ist daher eine Funktion des Stromes und der Einschaltzeiten der Schalter SW1 und SW2.

Ursprünglich waren S1 und S2 tatsächlich mechanische Schalter. Diese wurden schnell durch Silizium ersetzt - S1 mit einem Transistor und S2 mit einer Diode.

Schaltungen verändern sich mit dem technologischen Fortschritt

Im Laufe der Jahre wurden möglichst viele Bauteile in den Steuerschaltkreis integriert, um die Kosten und die Größe zu reduzieren. Ein Durchbruch war es, den Hauptschalter S1 direkt im Controller-IC zu integrieren. Die Spule sowie die Diode befanden sich immer noch extern. Um den Wirkungsgrad noch zu erhöhen, wurden dann bei neueren Versionen beide Schalter (SW1 und SW2) mit MOSFETs realisiert, womit Schaltfrequenzen bis zu 2 MHz möglich wurden.

Nun galt es, einen weiteren Schritt hin zur Miniaturisierung zu gehen. Durch die immer höher werdenden Schaltfrequenzen war es jetzt möglich, die Spule in ihrer Bauform zu reduzieren. Die Amplituden der Ströme sanken, was Auswirkungen auf die Größe des Ausgangskondensators hatte. Die Verwendung von höherwertigen Kondensatoren mit geringerer Eigenerwärmung unterstützte diese Verbesserung noch.

Mehr Effizienz bei geringerer Größe

Aktuell besteht das Ziel darin, die Designgrößen zu reduzieren und die Effizienz noch weiter zu steigern. Dafür müssen die getakteten Stromkreise minimiert und die Komponenten auf der Z-Achse übereinander montiert werden. Dies lässt sich am einfachsten mit der Flip-Chip-on-Leadframe-(FCOL) Packaging-Technologie umsetzen. Hier ist der Controller-IC (mit integrierten Leistungstransistoren) kopfüber direkt mit dem Leadframe-Stanzgitter verbunden - neben einer SMD-Drossel, die ebenfalls direkt am Leadframe angebracht ist (Bild 2).

Diese Konstruktion ermöglicht eine vollautomatisierte Fertigung von sehr kompakten Abwärtswandler-Modulen. Die dadurch verkürzten Verbindungen der selbstabschirmenden Induktivität wirken sich zudem positiv auf das EMV-Verhalten aus. Auf diese Weise hergestellte Produkte können auch umspritzt werden, wodurch ein bleifreies QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead) mit MSL3-Rating und vollem Umweltschutz entsteht. Ein Beispiel hierfür ist die Recom-RPX-Serie (Bild 3) mit einem von 1,2 V bis 6 V einstellbaren 2,5-A-Ausgang in einem 4,5 mm × 4 mm × 2 mm kleinen Gehäuse, das lediglich externe Eingangs- und Ausgangskondensatoren benötigt.

Bei diesen Modulen handelt es sich um eine Komplettlösung, die mithilfe von Standard-SMD-Bestückungs- und Ofenlötprozessen auf die Leiterplatte des Anwenders montiert werden kann. Recom hat kürzlich zwei weitere Leistungsmodule der RPX-Serie herausgebracht, die auf der FCOL-Technologie basieren: Die Module der Serien RPX-1.0 und RPX-1.5 können in ultrakompakten, weil 3 mm × 5 mm × 1,6 mm kleinen QFN-Gehäusen bei bis zu 36 V DC hohen Eingangsspannungen bis zu 1,5 A liefern.

Fazit

Abwärtswandler haben sich über viele Jahrzehnte hinweg erheblich weiterentwickelt. Innovationen aus der Kondensator-, Induktor-, Steuer-IC- und Gehäusetechnologie ermöglichten eine Integration aller Komponenten in immer kleineren Gehäusen mit immer höherer Leistungsdichte. Das Ziel, DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch IC-ähnlich zu machen, wird jetzt weitgehend durch eine Kombination innovativer 3D-Power-Packaging-Technologien sowohl für isolierte als auch für nicht isolierte Wandler erreicht. Für die Zukunft sind noch weitere Verbesserungen der Leistung und der Leistungsdichte zu erwarten. Für den allgemeinen Gebrauch als Module weisen die voll ausgestatteten Abwärtswandler allerdings die gleiche Größenordnung wie normale SMT-Bauteile auf und werden in der Endanwendung ebenso ihren Platz finden.

 

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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