Abwärtswandler - Von der Schaltung zum komplett integrierten Leistungsmodul

02.07.2021

Der Tiefsetzsteller, auch als Abwärtswandler bekannt, findet bereits seit einem Jahrhundert Verwendung und ist aus modernen elektronischen Schaltkreisen nicht mehr wegzudenken. Dieser Artikel beschreibt, wie sich aus einem groben elektromechanischen Bauteil eine kompakte Aufbaukomponente entwickelt hat, die mehrere 100W Leistung verarbeiten kann.

Inhaltsverzeichnis

Schaltungen verändern sich mit dem technologischen Fortschritt
Integration der Spule als Schlüssel zur Miniaturisierung
Fazit

Der Abwärtswandler wandelt eine Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung um. Seine Grundelemente sind in Abbildung 1 dargestellt. Zunächst ist der Schalter SW1 geschlossen, das heißt, es fließt Strom durch die Spule L1. Da die Spule ein differenzierendes Bauteil ist, steigt der Stromfluss kontinuierlich an, bis SW1 geöffnet wird und SW2 schließt. Dadurch ändert sich der Strompfad. Der Kondensator C1 wirkt als integrierendes Bauteil, daher hängt die resultierende Ausgangsspannung vom Stromverlauf und den Einschaltzeiten der Schalter SW1 und SW2 ab.

Abb. 1: Die Grundelemente eines Abwärtswandlers (Bildquelle: RECOM)

Ursprünglich waren S1 und S2 mechanische Schalter, wurden jedoch bald durch Halbleiter ersetzt: S1 durch einen Transistor und S2 durch eine Diode.

Schaltungen verändern sich mit dem technologischen Fortschritt

Im Laufe der Jahre wurde versucht, möglichst viele Bauteile in den Steuerschaltkreis zu integrieren, um Kosten und Baugröße zu reduzieren. Ein entscheidender Fortschritt war die direkte Integration des Hauptschalters S1 in den Controller-IC, während Spule und Diode weiterhin extern verblieben. Zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrads wurden in neueren Versionen beide Schalter (SW1 und SW2) durch MOSFETs ersetzt, wodurch Schaltfrequenzen bis 2MHz erreicht werden können.

Abb. 2: Die Entwicklung der Abwärtswandler-Integration (Bildquelle: RECOM)

Integration der Spule als Schlüssel zur Miniaturisierung

Nachdem die Umstellung auf MOSFETs erfolgt war, konnte ein weiterer Schritt zur Miniaturisierung umgesetzt werden. Durch steigende Schaltfrequenzen ließ sich die Bauform der Spule verkleinern. Gleichzeitig sanken die Stromamplituden, was die Dimensionierung des Ausgangskondensators beeinflusste. Der Einsatz hochwertiger Kondensatoren mit geringerer Eigenerwärmung unterstützte diese Effizienzsteigerung zusätzlich.

Halbleiterbaugruppen-Querschnitt — Abb. 3: Flip Chip on Leadframe-Konstruktion

Aktuell liegt der Fokus darauf, die Designgrößen weiter zu reduzieren und den Wirkungsgrad nochmals zu steigern. Dafür müssen die getakteten Strompfade minimiert und die Komponenten entlang der Z-Achse gestapelt werden.

Ein Beispiel dafür ist die Flip-Chip-on-Leadframe-(FCOL)-Packaging-Technologie. Dabei wird der Controller-IC (mit integrierten Leistungstransistoren) kopfüber direkt auf das Leadframe-Stanzgitter montiert, neben einer SMD-Drossel, die ebenfalls direkt am Leadframe angebracht ist (Abb. 3).

RECOM RPX-2.5 Abwärtswandler mit Abmessungen — Abb. 4: Das POL-Modul des RECOM RPX-Abwärtswandlers mit integriertem Chip-Induktor und Flip Chip on Leadframe-Konstruktion (Bildquelle: RECOM)

Diese Bauweise ermöglicht die vollautomatische Fertigung äußerst kompakter Abwärtswandler-Module. Die dadurch verkürzten Verbindungen der selbstabschirmenden Induktivität verbessern zusätzlich das EMV-Verhalten. Solche Module können umspritzt werden, wodurch ein bleifreies QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead) mit MSL3-Rating und vollständigem Umweltschutz entsteht. Ein Beispiel ist die RECOM RPX-Serie (Abbildung 4) mit einem einstellbaren Ausgang von 1,2V bis 6V bei 2,5A in einem 4,5 × 4 × 2mm kleinen Gehäuse, das lediglich externe Eingangs- und Ausgangskondensatoren benötigt.

Diese Module stellen eine Komplettlösung dar, die mithilfe von Standard-SMD-Bestückungs- und Reflow-Lötprozessen direkt auf der Leiterplatte des Anwenders montiert werden kann. RECOM hat kürzlich zwei weitere Leistungsmodule der RPX-Serie vorgestellt, die ebenfalls auf der FCOL-Technologie basieren: Die Serien RPX-1.0 und RPX-1.5 liefern bis zu 1,5A bei Eingangsspannungen bis 36VDC in ultrakompakten 3 × 5 × 1,6mm QFN-Gehäusen.

Fazit

Abwärtswandler haben sich über viele Jahrzehnte hinweg erheblich weiterentwickelt. Innovationen in der Kondensator-, Induktor-, Steuer-IC- und Gehäusetechnologie ermöglichen heute die Integration aller Komponenten in immer kleineren Gehäusen mit steigender Leistungsdichte. Das Ziel, DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch IC-ähnlich zu realisieren, wird mittlerweile weitgehend durch eine Kombination innovativer 3D Power Packaging^®-Technologien erreicht – sowohl für isolierte als auch für nicht isolierte Wandler. Weitere Verbesserungen in Leistung und Leistungsdichte sind absehbar. Für den modularen Einsatz behalten voll ausgestattete Abwärtswandler dennoch die kompakte Bauform klassischer SMT-Bauteile bei und lassen sich nahtlos in Endanwendungen integrieren.

Anwendungen

	Serie
1	RPX-1.0 Fokus	Buck regulator power module with integrated shielded inductor 36VDC input voltage, 1A output current	SCP, OCP, OTP, and UVLO protection 3.0 x 5.0mm low profile QFN package	Datenblatt	Order now
2	RPX-1.5 Fokus	Buck regulator power module with integrated shielded inductor 36VDC input voltage, 1.5A output current	SCP, OCP, OTP, and UVLO protection 3.0 x 5.0mm low profile QFN package	Datenblatt	Order now
3	RPX-1.0-EVM-1	Evaluation platform for RPX-1.0 buck regulator module Thermal design considerations included	EMI class B filter Easy evaluation of output voltage selection, control, and sensing functions	Datenblatt	Order now
4	RPX-1.5-EVM-1	Evaluation platform for RPX-1.5 buck regulator module Thermal design considerations included	EMI class B filter Easy evaluation of output voltage selection, control, and sensing functions	Datenblatt	Order now