Power-Tipp Vier Tipps, wie Sie Spannungsversorgungen verkleinern

Von Frederik Dostal *

Es gibt viele Möglichkeiten, die Baugröße von Spannungsversorgungen zu reduzieren. Einige Innovationen stellen wir in diesem Power-Tipp vor. Durch die Miniaturisierung lassen sich letztendlich die Kosten und das Gewicht der Geräte senken.

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Bild 1: 
Aufbau eines klassischen Schaltreglers mit Halbleiter sowie passiven Komponenten.
Bild 1: 
Aufbau eines klassischen Schaltreglers mit Halbleiter sowie passiven Komponenten.
(Bild: ADI)

In der gesamten Elektronikindustrie ist die Miniaturisierung schon immer eines der großen Leitthemen gewesen. Die Miniaturisierung stößt regelmäßig an Grenzen, welche durch Innovationsschübe überwunden werden, um dann eine neue Hürde zu erreichen. Beim Design von Spannungsversorgungen ist die Miniaturisierung eine besonders wichtige Vorgabe. In diesem Tipp beschreibe ich vier Möglichkeiten, wie Sie Geräte verkleinern können.

Tipp 1: Möglichst wenige externe Komponenten

Eine Spannungsversorgung besteht in der Regel aus mindestens einem Halbleiter und passiven ‚externen‘ Komponenten wie einer Spule, Kondensatoren und einigen Widerständen. Bild 1 zeigt die minimal notwendigen Bauteile.

Die Reduktion der Komponenten auf nur diese Bausteine ist ein erster Schritt hin zur Verkleinerung der gesamten Spannungsversorgung. Sollen beispielsweise die Ausgangsspannung oder die Soft-Start Zeit eingestellt werden, steigt die Anzahl der passiven Komponenten und somit der Platzbedarf der gesamten Lösung.

Tipp 2: Möglichst kleine externe Komponenten

Um den Ausgangskondensator und die Induktivität so klein wie möglich auszulegen, muss der Schaltregler mit einer hohen Schaltfrequenz arbeiten. Da die Spannungswelligkeit der Ausgangsspannung proportional zum Wert und somit der Größe der externen Komponenten ist, lässt sich hier viel herausholen.

Bild 2: 
Flächenbedarf eines getakteten Spannungswandlers für einen Ausgangsstrom von 3 A.
Bild 2: 
Flächenbedarf eines getakteten Spannungswandlers für einen Ausgangsstrom von 3 A.
(Bild: ADI)

So halbiert sich der Wert der Induktivität bei einer Verdoppelung der Schaltfrequenz bei gleicher Ausgangsspannungswelligkeit. Damit sind kleinere Bauformen möglich. In Bild 2 ist der Flächenbedarf des Schaltreglers LTC3307A gezeigt. Durch die recht hohe Schaltfrequenz von 3 MHz ist damit nur eine sehr kleine Spule notwendig.

Tipp 3: Möglichst kleiner Schaltregler

Die Familie LTC33xx umfasst getaktete Abwärtswandler mit einer sehr hohen Schaltfrequenz bis zu 5 MHz. Die Bausteine sind für unterschiedliche Anwendungen ausgelegt.

Der LTC3315A wurde hinsichtlich des Platzbedarfes optimiert. Dabei handelt es sich um einen dualen Regler mit zwei Kanälen, die jeweils 2-A-Ausgangsstrom liefern. Er kommt im WLCSP-Gehäuse (Waver Level Chip Scale Package) mit Abmessungen von 1,64 mm x 1,64 mm.

Bild 3: Schaltregler MAX77324 in extrem kleiner Gehäuseform.
Bild 3: Schaltregler MAX77324 in extrem kleiner Gehäuseform.
(Bild: ADI)

Auch der einkanalige Schaltregler MAX77324 mit einem maximalen Ausgangsstrom von 1,5 A kommt in einem sehr kleinen Gehäuse mit Abmessungen von 1,22 mm x 0,85 mm (Bild 3).

Tipp 4: Schaltregler mit integrierter Spule

Eine weitere Möglichkeit ist die Kombination der Spule mit dem Schaltregler in Modulen. Diese Integration reduziert die Kantenlänge, da die Induktivität auf den IC platziert wird. Indem die Spule im Modul als Wärmeleiter und Kühlkörper verwendet wird, lässt sich weiter miniaturisieren. Durch geschicktes Anbinden der Spule an den Chip im „Power Modul“ erreicht man dabei eine hervorragende Entwärmung des Halbleiters.

Fazit: Es gibt viele Möglichkeiten durch Innovation die Baugröße von Spannungsversorgungen zu reduzieren. Der Miniaturisierung folgen weitere indirekte Vorteile, beispielsweise niedrigere Kosten durch die kleinere Platinenfläche, die Möglichkeit, technische Geräte mit mehr Funktionen auszustatten und sogar geringere Transportkosten aufgrund von kleineren und leichteren elektronischen Geräten.

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

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