Optimierung des Wirkungsgrads von Buck-Boost-DC/DC-Wandlern für hohe Ströme

Viele elektronische Konstruktionen, wie z. B. batteriebetriebene Systeme, erfordern robuste DC/DC-Wandler, um bei schwankender Eingangsspannung eine stabile Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Während eine Buck-Boost-Topologie (Buck-Boost: Abwärts-Aufwärts-Wandler) mit vier Schaltern aufgrund ihrer Flexibilität und Leistungsdichte eine beliebte Wahl ist, stellt die Skalierung dieser Systeme für Hochstromanwendungen eine große Herausforderung für das Design dar. Entwickler müssen die architektonischen Kompromisse bei der Integration in den Buck-Boost-Regler sorgfältig abwägen. Insbesondere die Integration von Induktivitäten und Strommessmechanismen kann die Gesamtgröße, Komplexität und Effizienz der Schaltung erheblich beeinflussen.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Herausforderungen und Kompromisse, mit denen die Entwickler von Stromwandlersystemen konfrontiert sind. Anschließend werden Lösungen aus der Palette der Buck-Boost-Regler von Analog Devices vorgestellt und gezeigt, wie diese Komponenten Herausforderungen bewältigen und Designs optimieren können. Der Artikel hebt auch Evaluierungskits und Software hervor, die Entwickler verwenden können, um das Prototyping und die Entwicklung zu beschleunigen.

Integrationskompromisse bei der Entwicklung von Hochstrom-Buck-Boost-Reglern

In einem Buck-Boost-Wandler mit vier Schaltern benötigt die Leistungsstufe vier MOSFETs, eine Leistungsinduktivität und einen Stromerfassungsmechanismus. Wie diese Komponenten zwischen dem Modulgehäuse und der Leiterplatte aufgeteilt werden, ist die zentrale architektonische Entscheidung für Entwickler.

Durch die externe Platzierung der Induktivität und des Messwiderstands auf der Leiterplatte haben die Entwickler volle Kontrolle über die Auswahl der Komponenten. Größe der Induktivität, Kernmaterial und Sättigungsstrom können genau an die Anwendung angepasst werden. Diese Flexibilität hat jedoch ihren Preis: Externe Komponenten verbrauchen Platz auf der Platine, erschweren das Layout und erfordern eine sorgfältige Verlegung, um das Rauschen im Strommesspfad zu minimieren.

Die Integration der Induktivität und des Messwiderstands in das Modulgehäuse vereinfacht Design und Layout und reduziert die Anzahl der Komponenten und den Platzbedarf auf der Leiterplatte. Der Nachteil dabei ist, dass die Induktivität durch die Gehäuseabmessungen eingeschränkt wird, was den maximalen Ausgangsstrom und die thermische Leistung begrenzen kann.

Es ist auch möglich, den Messwiderstand ganz zu eliminieren, indem man ihn durch ein verlustfreies Strommessverfahren ersetzt. Dadurch wird die Energieeffizienz verbessert, was zu einem komplexeren Design des integrierten Schaltkreises (IC) für das Buck-Boost-Modul führt.

Wie drei Modulfamilien die Herausforderungen der Buck-Boost-Integration meistern

Als Teil seiner breiten µModule-Produktpalette bietet Analog Devices eine Vielzahl von DC/DC-Modulen an, die es Entwicklern ermöglichen, zwischen diesen Integrationsstrategien zu wählen. Dieser Artikel befasst sich mit Buck-Boost-Modulen mit vier Schaltern (Abbildung 1): den LTM4607, LTM4605 und LTM4609; den LTM8055, LTM8056 und LTM8054; sowie dem LTM4712. Jede dieser Methoden zielt auf einen anderen Bereich der Eingangsspannung und des Ausgangsstroms ab.

Abbildung 1: Abgebildet sind Buck-Boost-µModule mit vier Schaltern, die unterschiedliche Architekturansätze verfolgen, um verschiedene Eingangsspannungen und Ausgangsströme zu erreichen. (Bildquelle: Analog Devices, geändert von Kenton Williston)

DC/DC-Wandler mit externer Spule und Messwiderstand

Beim LTM4607, LTM4605 und LTM4609 sind der Controller und die MOSFETs im µModule-Gehäuse integriert, wobei die Leistungsinduktivität und der Strommesswiderstand extern auf der Leiterplatte platziert sind (Abbildung 2). Diese Architektur bietet Entwicklern Flexibilität bei der Auswahl von Induktivitäts- und Messwiderstandswerten, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Abbildung 2: Abgebildet ist das Gehäuse (links) des LTM4607, LTM4605 und LTM4609, zusammen mit dem entsprechenden Schaltplan der Leistungsstufe (rechts), der die externe Induktivität und den Messwiderstand hervorhebt. (Bildquelle: Analog Devices)

Die LTM4607, LTM4605 und LTM4609 werden in pin-kompatiblen 15 mm × 15 mm × 2,82 mm großen LGA-Gehäusen geliefert. Der LTM4605 ist für Niederspannungsanwendungen mit einem Eingangsspannungsbereich von 4,5 V bis 20 V und einem Ausgangsstrom von 12 A (Buck-Mode) ausgelegt. Der LTM4607 und der LTM4609 erweitern den Eingangsbereich auf 36 V bei 10 A (Buck-Mode), wobei der LTM4609 mit 0,8 V bis 34 V den größten Ausgangsspannungsbereich unter den dreien bietet.

DC/DC-Wandler mit integrierter Induktivität und integriertem Messwiderstand

Beim LTM8055, LTM8056 und LTM8054 (Abbildung 3) sind die Leistungsinduktivität und der Strommesswiderstand in das µModule-Gehäuse integriert, was Design und Layout vereinfacht, da die Anzahl der externen Komponenten auf der Leiterplatte reduziert wird.

Abbildung 3: Abgebildet ist das Modul (links) für die Bausteine LTM8055, LTM8054 und LTM8056 sowie der Schaltplan (rechts), der die integrierte Induktivität und den Messwiderstand hervorhebt. (Bildquelle: Analog Devices)

Von den drei hier besprochenen Familien hat diese Familie den niedrigsten Ausgangsstrom: 5,4 A für den LTM8054, 5,5 A für den LTM8056 und 8,5 A für den LTM8055 (im Buck-Modus). Der LTM8056 hat einen Eingangsbereich von 5 V bis 60 V, den größten unter den hier besprochenen Bausteinen, und verfügt über die höchste Ausgangsspannung von 48 V. Der LTM8054 ist mit einem Footprint von 15 mm × 11,25 mm und einer Höhe von 3,42 mm der kompakteste Baustein für platzbeschränkte Designs. Der LTM8055 und der LTM8056 haben jeweils ein Gehäuse der Größe 15 mm × 15 mm × 4,92 mm.

DC/DC-Wandler mit integrierter Induktivität und verlustfreier Strommessung

Der LTM4712 (Abbildung 4) verfolgt einen anderen Ansatz bei der Strommessung. Anstelle eines diskreten Messwiderstandes wird ein proprietäres, verlustfreies Strommessverfahren verwendet, das in das Modul integriert ist. Dadurch entfällt der mit einem speziellen Messwiderstand verbundene Leistungsverlust.

Abbildung 4: Das LTM4712-Modul (links) ist neben dem Schaltplan (rechts) abgebildet, der die integrierte Induktivität und die verlustfreie Stromerfassung hervorhebt. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Leistungsinduktivität ist in einem 16 × 16 × 8,34 mm großen BGA-Gehäuse in Component-on-Package-Technologie integriert. Der LTM4712 akzeptiert 5 V bis 36 V Eingangsspannung und liefert 1 V bis 36 V Ausgangsspannung bei 12 A im Buck-Modus.

DC/DC-Wandler - Spezifikation und Effizienzvergleich

Tabelle 1 fasst die wichtigsten Spezifikationen der sieben hier vorgestellten µModule zusammen.

Tabelle 1: Die wichtigsten Spezifikationen für die besprochenen µModule sind hier aufgeführt. (Bildquelle: Analog Devices)

Ein Vergleich der Effizienz von LTM8055, LTM4607 und LTM4712 (Abbildung 5) verdeutlicht die praktischen Auswirkungen der unterschiedlichen Architekturen. Der Vergleich bezieht sich auf drei Betriebsbedingungen: 6V-Eingang (Boost-Modus), 12V-Eingang (Buck-Boost-Modus) und 24V-Eingang (Buck-Modus), die alle einen 12V-Ausgang liefern.

Abbildung 5: Ein Vergleich des Wirkungsgrads über drei Eingangsspannungen zeigt, wie der LTM8055, der LTM4607 und der LTM4712 im Boost-, Buck-Boost- und Buck-Modus arbeiten. (Bildquelle: Analog Devices)

Parallelbetrieb, Konstantstromregelung und redundante Eingänge

In den vorangegangenen Abschnitten wurde der Grundbetrieb der drei µModule-Buck-Boost-Familien beschrieben. Diese Komponenten können auch für anspruchsvollere Anwendungen konfiguriert werden, z. B. Parallelbetrieb für höhere Ströme, Konstantstromregelung und redundante Eingangsleistung. Der LTM4712 veranschaulicht alle drei Fähigkeiten.

Entwickler, die parallele Designs planen, können die Vorteile der Spitzenstromregelung des LTM4712 nutzen. Diese schnelle, zyklusweise Regelung bietet einen zuverlässigen Schutz und ermöglicht eine hervorragende Stromaufteilung, wenn Parallelkonfigurationen für Anwendungen mit höheren Strömen verwendet werden.

In einem Szenario mit vier parallel geschalteten Modulen können diese für eine 90°-Phasenverschiebung konfiguriert werden, was eine optimale Verschachtelung ermöglicht. Zusätzlich kann ein Taktausgang eines Moduls mit dem SYNC-Eingang eines zweiten Moduls verbunden werden, um eine Frequenzsynchronisation zu ermöglichen.

Das Evaluierungskit EVAL-LTM4712-A2Z (Abbildung 6) demonstriert diese Fähigkeit mit vier LTM4712-Modulen. Dieses Board ist eine nützliche Plattform für Experimente zur Stromaufteilung, zur Validierung der thermischen Leistung und zur Ansteuerung von Prototyp-Schaltungen.

Das Board betreibt die vier LTM4712-Module in einer verschachtelten Parallelkonfiguration und erzeugt 12 V bei 48 A aus einem 5V- bis 36V-Eingang, wobei die vollen 48 A im Buck- und Buck-Boost-Modus und 24 A im Boost-Modus zur Verfügung stehen. Außerdem verfügt es über eine optionale Konstantstromfunktion, die einen präzisen, geregelten Strom an eine variable Last liefert.

Abbildung 6: Das Evaluierungsboard EVAL-LTM4712-A2Z enthält vier parallel konfigurierte LTM4712-Module für einen 48A-Ausgang im Buck- und Buck-Boost-Modus. (Bildquelle: Analog Devices)

Der Konstantstrommodus ist auch für einzelne LTM4712-Module verfügbar. In dieser Konfiguration entwickelt sich an einem externen Messwiderstand eine zum Laststrom proportionale Spannung. Erreicht diese Spannung einen über einen Steuerpin festgelegten Schwellenwert, reduziert das Modul automatisch seine Ausgangsspannung, um den Strom auf dem Zielniveau zu halten. Diese Funktion ist nützlich für Anwendungen wie die Ansteuerung von LEDs oder das Laden von Batterien, bei denen die Aufrechterhaltung eines präzisen Stroms wichtiger ist als die Aufrechterhaltung einer festen Spannung.

Der LTM4712 unterstützt auch redundante Eingangskonfigurationen, bei denen zwei von unabhängigen Quellen gespeiste Module einen gemeinsamen Ausgang nutzen. Dies ist nützlich für Systeme, die eine Ersatzstromversorgung benötigen oder die von verschiedenen Eingangsquellen gespeist werden, um eine gemeinsame Last zu versorgen. In diesem Szenario werden zwei Module parallel geschaltet, wobei die Kompensationspins der Module miteinander verbunden sind. Fällt einer der beiden Eingänge aus, hält das verbleibende Modul die Ausgangsregelung aufrecht.

DC/DC-Wandler-Evaluierungsboards und Entwicklungstools

Um Entwicklern den Einstieg zu erleichtern, bietet Analog Devices Evaluierungskits für seine µModule an. Das DC3189A (Abbildung 7) ist zum Beispiel eine Ein-Modul-Plattform für die Evaluierung des LTM4712 über den gesamten Eingangsbereich von 5 V bis 36 V und den Ausgangsbereich von 1 V bis 36 V.

Abbildung 7: Das Evaluierungsboard DC3189A bietet eine Ein-Modul-Plattform für die Evaluierung des LTM4712. (Bildquelle: Analog Devices)

Zur Beschleunigung des Entwicklungsprozesses stehen auch Softwaretools zur Verfügung. Das Entwicklungstool LTpowerCAD hilft bei der Auswahl der Komponenten, der Abschätzung des Wirkungsgrads, der Schleifenkompensation und der Analyse von Lasttransienten. Die Entwürfe können zur Simulation im Zeitbereich und zur dynamischen Analyse nach LTspice exportiert werden.

Fazit

Moderne Buck-Boost-Regler bieten Entwicklern zahlreiche Optionen für die Skalierung der DC/DC-Wandlung in einem breiten Spektrum von Hochstromanwendungen. Die µModule-Wandler von Analog Devices mit vier Schaltern zeichnen sich durch große Eingangs- und Ausgangsbereiche und flexible Integrationsoptionen aus. Unterstützt durch Evaluierungsboards und Software ermöglichen diese Module den Entwicklern, schnell die Architektur auszuwählen und zu implementieren, die ihren Designanforderungen am besten entspricht.