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Schaltregler: Monolithisch oder doch lieber mit Controller-IC?

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Schaltregler: Was spricht für den Einsatz eines monolithisch ausgeführten Abwärtsreglers?
Schaltregler: Was spricht für den Einsatz eines monolithisch ausgeführten Abwärtsreglers? (Bild: VCG)

Monolithische Schaltregler sind sehr beliebt, denn sie sind einfach zu handhaben und brauchen wenig Platz auf der Leiterplatte. Schaltregler mit Controller-IC lassen sich besser auf die Anwendung optimieren. Wann sollten Sie welche Variante wählen?

Ein Schaltregler kann entweder monolithisch oder mit einen Controller aufgebaut werden. Bei einem monolithischen Schaltregler sind die jeweiligen Leistungs-MOSFETs auf dem Chip integriert, bei Controllern müssen die Leistungshalbleiter zusätzlich zum Controller-IC ausgewählt und platziert werden.

Monolithische Schaltregler sind sehr beliebt, da die zeitaufwändige Auswahl der MOSFETs entfällt, die zudem auch ein gewisses Verständnis der Parameter eines Schalters erfordert. Auch beanspruchen Controller-Lösungen in der Regel mehr Fläche auf der Platine als Lösungen, die hoch integriert sind. Es ist also kein Wunder, dass über die Jahre hinweg immer mehr Schaltregler monolithisch ausgeführt wurden, sodass es heute auch bei höheren Leistungen eine große Auswahl an entsprechenden Lösungen gibt. Bild 1 zeigt links einen monolithischen Abwärtswandler im Vergleich zu einer Controller-Lösung (rechts).

Bild 1: Das Bild zeigt auf der linken Seite einen monolithischen Abwärtswandler und eine Controller-Lösung mit externen Schaltern auf der rechten Seite.
Bild 1: Das Bild zeigt auf der linken Seite einen monolithischen Abwärtswandler und eine Controller-Lösung mit externen Schaltern auf der rechten Seite. (Bild: Analog Devices)

Vorteile einer monolithischen Lösung sind der geringere Platzbedarf und der einfache Entwurf seitens des Anwenders: es müssen keine MOSFETs ausgewählt werden. Der Vorteil einer Lösung mit einem Controller liegt in der erhöhten Flexibilität, da die Schalter optimiert für eine spezifische Anwendung ausgesucht werden können. Der Entwickler kann auf das Gate der Schalter zugreifen, wodurch er die Schaltflanken durch geschickten Einsatz von passiven Bauteilen beeinflussen kann. Ein weiterer Vorteil ist die Einsatzmöglichkeit bei sehr hohen Leistungen, da die separierten Schalter sehr groß ausgewählt werden können und im Schalter entstehende Verluste thermisch getrennt vom Controller-IC abgeführt werden.

Zusätzlich zu diesen altbekannten Argumenten für oder gegen eine monolithische Lösung gibt es aber noch einen Aspekt, der nicht so häufig betrachtet wird. Bei Schaltreglern sind die sogenannten ‚Hot Loops‘ entscheidend für eine geringe Störabstrahlung. Bei allen Schaltreglern sollte die EMV möglichst optimiert werden. Eine der Grundregeln hier ist es, die parasitären Induktivitäten in der jeweiligen Hot Loop so klein wie möglich zu halten.

Bei einem abwärtswandelnden Schaltregler ist der Pfad zwischen dem Eingangskondensator und dem oberen Schalter, die Verbindung zwischen dem oberen und dem unteren Schalter sowie die Verbindung zwischen dem unteren Schalter und dem Eingangskondensator Teil der Hot Loop. Dies sind die Strompfade, in denen sich der Stromfluss mit der Geschwindigkeit der Schaltübergänge ändert. Durch die schnellen Stromveränderungen bildet sich über einer parasitären Induktivität ein Spannungsversatz, der sich als Störung in unterschiedliche Schaltungsteile koppeln kann.

Es gilt also, diese parasitären Induktivitäten in den Hot Loops so gering wie möglich zu halten. Bild 2 zeigt mit blauer Farbe die Pfade der jeweiligen Hot Loop links für einen monolithischen Schaltregler und rechts für eine Controller-Lösung. Hierbei können wir erkennen, dass sich bei der monolithischen Lösung zwei Vorteile ergeben. Zum einen ist die Hot Loop in ihrer Ausdehnung kleiner als beim Controller und zum anderen ist der Verbindungspfad zwischen dem oberen Schalter und dem unteren Schalter sehr kurz und nur auf dem Chip geführt.

Bild 2: Auf der linken Seite ist ein monolithischer Schaltregler zu sehen, rechts eine Lösung mit Controller-IC, jeweils mit geometrischer Anordnung der Hot Loop.
Bild 2: Auf der linken Seite ist ein monolithischer Schaltregler zu sehen, rechts eine Lösung mit Controller-IC, jeweils mit geometrischer Anordnung der Hot Loop. (Bild: Analog Devices)

Im Vergleich dazu muss bei einer Lösung mit Controller-IC dieser geschaltete Strompfad durch die parasitäre Induktivität des Gehäuses, meist mit parasitärer Induktivität von Bonddrähten, geführt werden. Dies verursacht einen erhöhten Spannungsversatz und verschlechtert die EMV.

Fazit: Monolithische Schaltregler zeigen die üblichen Vor- und Nachteile. Allerdings erzeugen sie weniger Störungen. Wie hoch diese Störungen sind und wie sie sich in einer Schaltung auswirken, ist von vielen weiteren Parametern abhängig. Wichtig ist dabei der grundlegende Gedanke, dass es sehr wohl einen Unterschied zwischen monolithischen Schaltreglern und Lösungen mit Controller-IC bei der Störfestigkeit gibt.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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