GERY013C january 2023 – april 2023 LMQ61460-Q1 , TPS54319 , TPS62088 , TPS82671 , UCC12040 , UCC12050

Wodurch wird die Leistungsdichte begrenzt?

Seit Jahren bemühen sich Experten und Forscher darum, Möglichkeiten zur Steigerung der Leistungsdichte zu finden. Genau darin liegt die Herausforderung. Zumeist wurde sich darauf konzentriert, die für die Energieumwandlung verwendeten passiven Bauteile zu verkleinern. Wie aus Abbildung 4 hervorgeht, benötigen Induktoren, Kondensatoren, Transformatoren und Kühlkörper in bei der Stromversorgung normalerweise meisten Platz. Halbleiterschalter und Steuerschaltkreise sind erheblich kleiner und besser integriert.

Abbildung 4 Passive Komponenten wie Induktoren und Kondensatoren können sehr viel Raum einnehmen.

Wie kann die Größe von passiven Bauteilen verringert werden? Eine einfache Lösung besteht darin, die Schaltfrequenz zu erhöhen. Die passiven Bauteile in Schaltwandlern speichern Energie und geben diese mit jedem Schaltzyklus ab. Wenn wir die Schaltfrequenzen erhöhen, wird für jeden dieser Schaltzyklen weniger Energiespeicher gebraucht. Beispiel: Gleichung 1 als Entwicklungsgleichung für den Induktor in einem Abwärtswandler:

Gleichung 1.

L = \frac{D \times V_{L}}{f_{S W} \times ∆ I_{L}}

L ist die Induktivität
D ist die relative Einschaltdauer
ΔI_L ist die Welligkeit des Induktorstroms
f_SW ist die Schaltfrequenz
V_L ist die Spannung über den Induktor

Die benötigte Induktivität (L) ist umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz (f_SW). Mit zunehmender Schaltfrequenz nimmt die Induktivität ab. Geringere Induktivität führt dazu, dass kleinere Induktoren verwendet werden können und Platz eingespart wird. Abbildung 5 zeigt den Größenunterschied der benötigten Induktoren in einer 3-A-/36-V-Wandlerschaltung bei 400 kHz gegenüber 2 MHz.

Abbildung 5 Größenvergleich eines 3-A-/36-V-Wandlers mit 400 kHz (links) und 2 MHz (rechts).

Es gibt aber auch noch andere Vorteile bei der Verwendung einer höheren Schaltfrequenz. Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz lässt sich die Bandbreite der Regelkreise erhöhen, wodurch die Einschwingleistung mit geringerer Ausgangskapazität erreicht werden kann. Filter für elektromagnetische Störungen (EMI) mit Differenzmodus können mit weniger Induktivität und Kapazität entwickelt werden. Somit können kleinere Transformatoren verwendet werden, ohne das magnetische Kernmaterial zu sättigen.

Warum also nicht einfach die Schaltfrequenz erhöhen? Wie sich herausstellt, ist dies leichter gesagt als getan. Auch wenn Sie alle passiven Elemente, die in Leistungswandlern verwendet werden, auf ein ganz geringes Maß verkleinert haben, gibt es auch immer noch andere Möglichkeiten, die Größe der Stromversorgungslösung zu verringern. Leistungsschalter, Gate-Treiber, Modus-Setting-Widerstände, Rückkopplungs-Netzwerkkomponenten, EMI-Filter, Stromsensor- Komponenten, Schnittstellen-Schaltungen, Kühlkörper und viele andere Komponenten besetzen wertvollen Platz. In all diesen Bereichen des Gesamtleistungsdesigns können innovative Ideen angewendet werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Lassen Sie uns gemeinsam ansehen, welche Komponenten dafür verantwortlich sind, dass wir die Leistungsdichte nicht so einfach erhöhen können.