Neue Maßstäbe im Design des integrierten Schaltreglers erreicht

In Hochleistungssystemen muss jeder Schritt der Leistungsumwandlung von der Versorgung bis zu den einzelnen Verbrauchern bewertet und optimiert werden. In solch komplexen Systemen mit mehreren Versorgungsspannungsschienen sind Point of Load (PoL)-Wandler häufig die beste Lösung, da sie bei Bedarf präzise Spannungsschienen bereitstellen – idealerweise mit großem Eingangsbereich, hohem Wirkungsgrad und programmierbaren Ausgängen. PoLs als komplette Module gibt es seit vielen Jahren, aber viele stammen aus dem Telekommunikationsmarkt mit sehr hohen Ausgangsströmen bei sehr niedrigen Spannungen und einem sehr engen Versorgungsspannungsbereich. Was die IoT-Branche möchte, ist ein PoL, das kostengünstig, flexibel, effizient, klein und mit automatischen Bestückungssystemen und Industrieumgebungen kompatibel ist – insbesondere mit der für die industrielle Automatisierung typischen 24-V-Versorgungsspannung

Der RECOM RPX-2.5 als Game-Changer im Schaltregler- und PoL-Markt

RECOM Power, der langjährige Marktführer bei der Herstellung von DC/DC- und AC/DC-Wandlern mit niedriger und hoher Leistung, hat seinen Punkt-der-Last-Wandler RPX-2.5 vorgestellt – eine komplette Lösung für Schaltregler mit integrierter Induktivität. Dies ist nicht das erste Angebot für nicht isolierte DC/DC-Geräte – die R78-Serie als Drop-in-Ersatz für 78xx-Linearregler in einem TO-220-Gehäuse mit Durchgangsbohrung wurde millionenfach verkauft und stellt ein Hochleistungs-Upgrade für den „linearen“ Ansatz dar, der in vielen Anwendungen eine erheblich verbesserte Effizienz und Kostenersparnis bietet. RECOM RBB-, RPM-, R-78AA-, R-78T-, R420/PL- und ROF-Oberflächenmontagetypen folgten, und jetzt hebt die RPX-Serie (Abbildung 1) das Konzept wieder auf ein höheres Niveau. In Zusammenarbeit mit einem großen IC-Hersteller und einem globalen OSAT-Unternehmen (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) entwickelt, kann der flache RPX-2.5 mit nur 4,6 mm x 4,1 mm x 2,1 mm wie jede andere „Standard“ -Oberfläche gehandhabt und platziert werden, mit der Leistung eines PoL mit vollem Funktionsumfang und einer Ausgangsleistung von bis zu 2,5 A.


RPX-2.5 Spezifikationen

Der RPX-2.5 hat einen weiten Eingangsbereich von 4,5 bis 28 V (24 V + 15 % Toleranz) und einen einstellbaren Ausgang von 1,2 bis 6 V. Der Nennstrom von 2,5 A ist konservativ und es steht mehr Strom zur Verfügung, um Anwendungen mit hohem Anlaufstrom zu versorgen. Wirkungsgradspitzen von 91 % mit 12-V-Eingang und 5-V-Ausgang sind erreichbar, wobei dieser hohe Wert auf nur 3 % Last für Anwendungen gehalten wird, bei denen „Schlaf“- oder intermittierende Lasten möglich sind.

Selection Guide


Abhängig von der Kombination aus Eingangs- und Ausgangsspannung wird die volle Ausgangsleistung bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 85 °C mit einer bestimmten Leiterplattengröße und einem bestimmten Kupfergewicht ohne Kühlkörper oder forcierte Luftkühlung garantiert. Diese herausragende Leistung wird in einem kleinen Gehäuse mit der „Flip-Chip-On-Leadframe“-Technologie (FCOL) erzielt, die einen sehr geringen Wärmewiderstand vom Steuer-IC-Übergang zu den PCB-Pads bietet. Das Produkt ist zudem überformt und bildet ein bleifreies QFN-Gehäuse (Quad Flat No-Lead) mit MSL3-Einstufung und vollem Umweltschutz. Die Herstellung des Teils erfolgt vollautomatisch mit einem integrierten abgeschirmten Induktor, der zusammen mit den reduzierten parasitären Induktivitäten des kompakten Designs eine von Natur aus niedrige EMI ergibt. Der Ausgangsschutz ist ebenfalls umfassend und unempfindlich gegen Kurzschlüsse, Überstrom und Übertemperatur.

Externe Spannungseinstellung sorgt für Flexibilität

Für eine optimale Flexibilität kann die Ausgangsspannung extern mit einer Widerstandskette voreingestellt werden, die an den FB-Pin angeschlossen ist. Dies gibt dem Benutzer die Möglichkeit, die optimale Ausgangsspannung zu wählen sowie die Fernerkundung für eine optimale Lastregelung zu implementieren und einen Beschleunigungskondensator (CFF in Abbildung 2) hinzuzufügen, um die Reaktionszeit auf Überstrom zu verbessern. Alternativ kann CFF weggelassen und zusätzliche Ausgangskapazität hinzugefügt werden, um die Toleranz gegenüber Überstromtransienten zu erhöhen. Durch die Auswahl der Ausgangsspannung durch den Benutzer werden auch die Bestandskosten niedrig gehalten, da nur ein Teil mehrere Anwendungen abdeckt (z. B. 1,8 V, 3,3 V oder 5 V mit einem Teil).


Dies kann durch dynamische Anpassung der Ausgangsspannung unter externer Steuerung noch weiter vorangetrieben werden. Insbesondere im Internet der Dinge gibt es viele Anwendungen, bei denen Prozessortakt und Versorgungsspannung für eine optimale Leistung und einen optimalen Stromverbrauch gegeneinander abgewogen werden können. Beispielsweise verbraucht ein Mikrocontroller mit 3,3 V/16 MHz normalerweise 30 mW, aber die VCC-Spannung kann nicht unter 3,2 V gesenkt werden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Wenn der µC inaktiv ist (z. B. auf Eingabe wartet), kann die Taktfrequenz auf 1 MHz reduziert werden, wodurch der Verbrauch auf nur 6 mW (20 %) reduziert wird. Bei einer Taktfrequenz von 1 MHz ist der Versorgungsspannungsbereich jedoch viel breiter und kann auf 1,8 V reduziert werden, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen. Durch die Implementierung dieser reduzierten Versorgungsspannung sinkt der Verbrauch zusätzlich auf nur 1,2 mW (4 % oder 25-fache Reduzierung im Vergleich zum Betrieb mit voller Leistung) und liegt damit im Bereich vieler Energiespartechniken (Abbildung 3). Diese adaptive Versorgungsspannungsfunktion lässt sich mit dem RPX-2.5 über eine Verbindung von seinem FB-Pin zu einem I/O-Pin des Mikrocontrollers einfach implementieren, sodass der µC unterschiedliche Widerstandswerte einschalten und seine eigene Versorgungsschiene einstellen kann.


Vervollständigung der Lösung

Der RPX-2.5 benötigt einen Eingangskondensator, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Dies kann auch ein kleiner 10µF-MLCC-Typ sein. Für Anwendungen mit hoher dynamischer Ausgangslast wird ein elektrolytischer Typ mit 47 µF und einem Rippelstrom von 1,25 A oder höher empfohlen. Oft ist für viele Benutzer jedoch bereits eine ausreichende Kapazität für den Stromversorgungsausgang vorhanden. Zur Einhaltung der EN 55032 Klasse B kann eine Serien-Eingangsinduktivität hinzugefügt werden. Ebenso werden Ausgangskondensatoren benötigt, deren Werte von der Ausgangsspannung und der Belastung abhängen. Das Hinzufügen von Eingangs- und Ausgangskondensatoren nur bei Bedarf und die für die Anwendung optimierte Größe und Spannung ergeben eine insgesamt kleinere und kostengünstigere Lösung im Vergleich zu fest eingebauten Kondensatoren, die im Datenblatt, mit dem höchstmöglichen Eingangs- und Ausgangsstrom angegeben werden müssen. Ausgangskondensatoren können auch an der optimalen Position angebracht werden, beispielsweise neben den Leistungsstiften des Mikrocontrollers.

Abschalt- und Unterspannungssperre

Der RPX-2.5 verfügt über einen Shutdown-Pin (CTRL), mit dem das Starten/Herunterfahren des Geräts durch Ziehen des Pins auf Masse deaktiviert oder sequenziert werden kann. Der Pin wird intern mit einer Stromquelle hochgezogen, sodass das externe Laufwerk ein Schalter, ein offener Kollektor, ein offener Drain oder ein 3,3 V/5 V-Logiksignal sein kann. Im AUS-Zustand zieht der RPX-2.5 normalerweise nur 2,5 µA. Eine nützliche Zusatzfunktion des CTRL-Pins ist die Steuerung des Eingangs-Unterspannungs-Sperrpegels. Standardmäßig liegt das UVLO bei 4,1 V, aber ein potenzieller Teiler zum CTRL-Pin vom Eingang kann den Pegel höher einstellen. Dies ist ein Vorteil, wenn beispielsweise bei 12-V- oder 24-V-Batterien höhere Nenn-Eingangsspannungen verwendet werden, um eine Tiefentladung unter einem festgelegten Wert zu verhindern.


"Benötigen Sie mehr Energie? "

Oft müssen PoLs in der Lage sein, Spitzenleistungspegel für hochdynamische Lasten wie ein GSM-Modul im Sendemodus bereitzustellen. Eine Lösung besteht darin, den Umrichter so zu dimensionieren, dass er für den höchsten Spitzenstrom ausgelegt ist. Dies hat jedoch häufig den Nachteil eines schlechten Wirkungsgrades bei geringer Ausgangslast. Andererseits – wenn der PoLeinen hohen kurzzeitigen Spitzenüberstrom aufweist –, kann er kleiner, effizienter und kostengünstiger sein. Der RPX-2.5 bietet diese Funktion mit einer 30%igen Boost-Fähigkeit auf 3,2 A oder mehr für bis zu fünf Sekunden – mehr als genug Zeit, um Datenübertragungen mit hoher Leistung oder hohe Startströme zu ermöglichen. Die Zuverlässigkeit wird jedoch nicht beeinträchtigt. Das Teil hat eine MTBF von 400M Stunden bei 25 °C gemäß Telcordia-Zuverlässigkeitsrichtlinie SR-232.

Anwendungen

Mit seinen breiten Ein- und Ausgangsbereichen findet der RPX-2.5 in vielen Bereichen Anwendung. Normalerweise kann er mit 24-V-Industrieautomationsversorgungen mit einer Toleranz von +15 % verwendet werden, um 3,3 V oder 5 V für Steuerkarten bereitzustellen. Die geringe Größe des Produkts eröffnet weitere Möglichkeiten, z. B. die Integration in einen Steckverbinder, um 5 V auf 3,3 V für einen Sensor zu senken. Der RPX-2.5 kann auch in automatisierten Testgeräten, medizinischen Geräten und bildgebenden Geräten, Hochleistungs-Energiesystemen und in vielem mehr verwendet werden – einschließlich natürlich IoT.

Ein Evaluierungsboard RPX-2.5-EVM-1 von RECOM ist erhältlich. Die Karte ermöglicht die Auswahl gängiger Ausgangsspannungen und die Ausführung und Auswertung der Fernerkennungs- und Unterspannungssperrfunktionen. Die Filterung ist in Übereinstimmung mit EN55032 Klasse B enthalten, es sind jedoch Positionen zum Experimentieren mit alternativen Komponenten vorgesehen, um eine optimale EMV-Leistung für die Betriebsbedingungen und das Budget zu erzielen. Die Karte bietet das geeignete thermische Design, damit die volle Leistung des RPX-2.5 bewertet werden kann.

Muster und Preise erhalten Sie bei allen authorisierten Distributoren oder direkt von RECOM.

[1] RECOM www.recom-power.com
[2] RPX data sheet Visit RPX serie

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