Modulare Plattform mit robusten Komponenten für eine vereinfachte, konsistente Evaluierung von DC/DC-Reglern

DC/DC-Schaltregler sind für die Stromversorgung in einer Vielzahl von Anwendungen von grundlegender Bedeutung, doch die Auswahl der optimalen Topologie und der unterstützenden Komponenten für ein bestimmtes Design ist noch immer eine Herausforderung. Die Entwickler sind in der Regel mit einem zeitaufwändigen Prozess konfrontiert, der separate Evaluierungsplatinen und inkonsistente Test-Setups erfordert, um die Anforderungen an Platinenfläche, Wirkungsgrad, thermische Leistung und elektromagnetische Störungen (EMI) zu erfüllen.

Entwickler benötigen daher einen strukturierten Evaluierungsansatz, der die Auswahl der Leistungsstufe beschleunigt, indem er einen direkten Vergleich mehrerer Wandlertopologien unter konsistenten, wiederholbaren Testbedingungen ermöglicht. Ebenso wichtig ist, dass dieser Ansatz auf robusten passiven Bauteilen und Verbindungskomponenten basiert, die ein stabiles Verhalten zeigen, wenn von einem Submodul zum nächsten gewechselt wird. Denn Messunterschiede sollen Rückschlüsse auf die Wahl des Reglers und der Induktivitäten zulassen – und nicht Abweichungen der Testinfrastruktur widerspiegeln.

Dieser Artikel befasst sich mit den Herausforderungen bei der Entwicklung und Evaluierung von Reglern. Anschließend werden Komponenten von Würth Elektronik vorgestellt und gezeigt, wie sie eine zuverlässige Evaluierung von DC/DC-Wandlern ermöglichen. Sie bieten eine stabile Grundlage für die von Microchip Technology entwickelte modulare Plattform.

Warum ist der direkte Vergleich von Reglern mit herkömmlichen Methoden schwierig?

Bei der Evaluierung eines DC/DC-Schaltreglers für ein neues Design müssen Ingenieure verschiedene Entscheidungen hinsichtlich der Reglertopologie und der Betriebseigenschaften treffen. In der Praxis bestimmt die Anwendung in der Regel die Wahl der Topologie mit Aufwärtswandler (Boost), Abwärtswandler (Buck) oder Konstantstrom-Schaltregler für LED-Treiberstufen. Für jeden Reglertyp stellt die Betriebsumgebung eine Reihe von Anforderungen an bestimmte Parameter wie Eingangs- und Ausgangsspannung, Laststrom sowie spezifische Anforderungen an Funktionen wie Ruhestrom, Unterspannungsabschaltung (UVLO), Ausgangstrennung, Pulsfrequenzmodulation/Pulsweitenmodulation (PFM/PWM) und Schutzmechanismen.

Die Auswahl des Reglers wird zusätzlich dadurch erschwert, dass Anforderungen wie begrenzte Platinenfläche, Wirkungsgrad, thermische Leistung und EMI geschickt ausbalanciert werden müssen. Die begrenzte Platinenfläche begünstigt die Auswahl kleinerer passiver Bauteile und dichter gepackter Layouts, was die Leistung beeinträchtigen kann. Zur Analyse von Wirkungsgrad und thermischem Verhalten unter realen Laststrombedingungen müssen die Bauteile genau charakterisiert werden, um nachzuweisen, dass der Regler und seine passiven Komponenten den Arbeitszyklus ohne unzulässigen Temperaturanstieg aufrechterhalten können. Das EMI-Verhalten wird oft erst spät im Evaluationszyklus sichtbar, wenn Layout, Schaltfrequenz und Eigenschaften der Induktivitäten bereits festgelegt sind.

In der konventionellen Evaluierungspraxis wird in der Regel jeder in Frage kommende Regler auf einer eigenen Platine, jeweils mit eigenem Layout, dedizierten Steckverbindern und passiven Bauteilen getestet. Dieser Ansatz erschwert es den Entwicklern, verschiedene Reglertypen direkt zu vergleichen und deren Betriebseigenschaften zu bewerten. Außerdem verbringen Entwickler viel Zeit mit der Montage verschiedener Prototypen anstatt mit der Evaluierung des Reglers. Auch dies erschwert den direkten Vergleich der Ergebnisse und verlangsamt den Evaluierungszyklus, da der Zeitdruck steigt, um die engen Produktzeitpläne einzuhalten.

Mit der Platine BB22H52A Building Block Solutions Switchers (BBS-SW) hat Microchip eine modulare Evaluierungsplattform geschaffen, die auf Komponenten aus dem Portfolio von Würth Elektronik basiert. Sie ist speziell konstruiert worden, um Entwickler bei der effizienten Bewertung verschiedener Konfigurationen von DC/DC-Schaltreglern unter konstanten Testbedingungen zu unterstützen.

Evaluierung von DC/DC-Reglern auf einer einheitlichen Plattform

Die BB22H52A BBS-SW Platine von Microchip (Abbildung 1) adressiert die Herausforderungen der Evaluierung durch eine modulare Architektur, die sieben unabhängige Submodule von DC/DC-Wandlern auf einem einzigen Board vereint. Jedes Submodul implementiert einen anderen Schaltregler mit eigenen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen, einem Aktivierungs-Schaltkreis (Enable, EN) und einem dedizierten Satz von passiven Bauteilen. Die verschiedenen Regler-Schaltkreise haben denselben Platinen-Lagenaufbau, dasselbe Massepotenzial und dieselbe Anschlussstruktur.

Abbildung 1: Die BB22H52A BBS-SW Plattform hat sieben unabhängige DC/DC-Wandler-Submodule auf einer einzigen Platine mit gemeinsamem Lagenaufbau, was eine direkte Evaluierung unter identischen Testbedingungen ermöglicht. (Bildquelle: Microchip Technology)

Die sieben Submodule repräsentieren drei verschiedene Topologieklassen und decken Eingangsspannungen von 1,5 bis 50 V, Ausgangsspannungen von 3,3 bis 24 V sowie Ausgangsströme von 100 mA bis 1 A ab (Abbildung 2). Zu den Ausstattungsmerkmalen gehören Batteriebetrieb mit niedrigem Ruhestrom (I_Q), programmierbare Unterspannungsabschaltung (UVLO) und Konstantstrom-LED-Treiber.

Abbildung 2: Die BB22H52A Submodule decken Eingangsspannungen von 1,5 bis 50 V, Ausgangsspannungen von 3,3 bis 24 V und Ausgangsströme von 100 mA bis 1 A ab. (Bildquelle: Microchip Technology)

Zwei Aufwärtsregler, BBS1 (MCP16251) und BBS3 (MCP16411), für den Einsatz an Niederspannungs- und Niederstromleitungen, wie sie für batteriebetriebene Designs typisch sind. Zwei MCP1663-basierte Aufwärtsregler, BBS4 und BBS5, dienen dazu, aus niedrigen Eingangsspannungen deutlich höhere Ausgangsspannungen von 12 V und 24 V zu erzeugen. Die Evaluierungsplatine enthält außerdem einen synchronen Abwärtsregler, BBS2 (MCP16311), einen nicht-synchronen Abwärtsregler, BBS7 (MCP16331), sowie einen Konstantstrom-LED-Treiber, BBS6 (MCP1664).

Die Plattform bietet über alle Submodule hinweg eine konsistente Evaluierungs-Infrastruktur. Alle Ein- und Ausgänge sind mit standardisierten 2,54-mm-Anschlussblöcken ausgerüstet. Der EN-Pin jedes Submoduls wird standardmäßig über einen Widerstand auf HIGH gezogen (Pull-Up), was das Hochfahren durch bloßes Anlegen der Eingangsspannung ermöglicht. Die gleiche EN-Pin-Konvention unterstützt auch die Evaluierung des Abschaltmodus über eine einzelne Verbindung. Testpunkte und zugängliche Messknoten vereinfachen die Charakterisierung von Spannung, Strom und Welligkeit.

Die Einheitlichkeit der Module bietet den Entwicklern eine gemeinsame Referenz beim Wechsel zwischen den Submodulen, sodass sie identische Testsequenzen über Topologien hinweg durchführen können. Sie können die Unterschiede der Messungen somit sicher auf die Eigenschaften von Reglern und Induktivitäten (Spulen) zurückführen, anstatt auf Abweichungen im Platinen-Layout. Das Erreichen dieser Evaluierungsziele erfordert sowohl eine konsistente Plattformarchitektur als auch eine Reihe robuster Komponenten, insbesondere Induktivitäten, die optimal an die Anforderungen der jeweiligen Wandler-Topologie abgestimmt sind.

Anforderungen der Wandler-Topologie mit robusten Komponenten abstimmen

Die gesamte BB22H52A-Platine ist mit Bauteilen von Würth Elektronik bestückt: Induktivitäten, Anschlussblöcke, Keramikkondensatoren und Dickschichtwiderstände bevölkern die sieben Submodule. Die Anschlussblöcke von Würth WR-TBL bieten das bereits erwähnte gängige 2,54-mm-Ein-/Ausgangs-Rastermaß. Die Mehrschicht-Keramikchipkondensatoren (MLCCs) aus dem Würth-Portfolio, das Dielektrika der Klasse 1 und Klasse 2 umfasst, übernehmen Eingangsfilterung, Ausgangsfilterung und Entkopplung für alle Submodule. Die Würth-Dickschichtwiderstände WRIS-RSKS sind für +155°C ausgelegt und dienen als Feedback-Teiler, Shunt-Widerstände zur Stromüberwachung und Pull-up-Referenzen. Diese Komponentenfamilien bieten eine stabile Grundlage für das konsistente Verhalten der Plattform über die Submodule hinweg und stellen die Unterschiede von Reglern und Induktoren als verbleibende Variablen im Evaluierungsprozess heraus.

Unter diesen passiven Komponenten gilt die Induktivität in der Regel als die empfindlichste in Anwendungen. Sie bestimmt direkt den Wirkungsgrad, das thermische Verhalten, die EMI-Signatur und den Footprint der Platine. Die Auswahlkriterien für Induktivitäten unterscheiden sich je nach Topologie. Die Microchip-Platine bietet Entwicklern daher verschiedene Optionen, indem sie drei WE-Induktivitäten-Familien einsetzt: WE-MAPI, WE-XHMI und WE-MXGI.

In einem Abwärtswandler steuert die Induktivität die Welligkeit des Ausgangsstroms und interagiert mit der Flankenkompensation und der Schaltfrequenz des Reglers. In einem Aufwärtswandler (Abbildung 3) befindet sich die Induktivität am Schaltknoten des Reglers, und sein Durchschnittsstrom skaliert mit dem Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsspannung, wobei der Spitzenstrom durch die Welligkeit weiter ansteigt. Die Designrichtlinien von Microchip für den MCP1663 empfehlen 4,7 μH für Ausgangsspannungen unter 15 V und 10 μH für Ausgangsspannungen ab 15 V. Dies entspricht genau der 4,7 μH-Induktivität 7443844020047 von Würth Elektronik am 12-V-Ausgang des BBS4 und der 10-μH-Induktivität 744393305100 am 24-V-Ausgang des BBS5-Submoduls.

Abbildung 3: Typische Aufwärtswandler-Anwendung des MCP1663 mit der Induktivität am Schaltknoten des Reglers, wobei der Induktivitätswert so gewählt ist, dass er zur gewünschten Ausgangsspannung passt. (Bildquelle: Microchip Technology)

Über alle Topologien hinweg fordert der Induktivitätswert einen grundlegenden Kompromiss: Eine höhere Induktivität reduziert Rippelstrom- und Kernverluste, erhöht aber die physikalische Baugröße und den Gleichstromwiderstand (DCR). Auch die Bauweise ist wichtig, da magnetisch abgeschirmte Induktivitäten für Anwendungen empfohlen werden, bei denen die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) entscheidend ist, um unkontrollierte Kopplungen mit benachbarten Leiterbahnen und Bauteilen zu verhindern. Alle drei Würth-Induktivitäten-Familien am BB22H52A sind magnetisch abgeschirmt, und jede davon bietet eine andere Kombination aus Größe, Wirkungsgrad und EMI an.

Die WE-MAPI-Induktivitäten an den Sub-Modulen BBS1, BBS2 und BBS7 verwenden einen kompakten magnetischen Legierungskern in selbstabschirmender Bauweise. Die Familie ist AEC-Q200-qualifiziert, und die Vergleichsberichte von Würth belegen, dass eine 24-V-auf-12-V-Buck-Stufe bei 2 A und 500 kHz einen um 17 bis 28 % geringeren Gesamtleistungsverlust aufweist als vergleichbare Komponenten. Im BBS1 wird eine Hochtemperaturvariante verwendet, die für 55 °C bis +150 °C ausgelegt ist. Sie erweitert die Qualifikationsmarge für Designs in rauen Umgebungen.

Die WE-XHMI-Induktivität im BBS5-Submodul verwendet eine flache Drahtspule mit einem Verbundkern, der den DCR senkt und den Sättigungsstrom (ISAT) erhöht. Diese Eigenschaften unterstützen direkt den höheren Induktivitätsstrom und die engeren thermischen Margen, die von der 24-V-Boost-Stufe gefordert werden.

Die WE-MXGI-Induktivität auf dem BBS3, BBS4 und BBS6 basiert auf einer Eisenlegierung, die für das Schalten von Frequenzen über 1 Megahertz (MHz) optimiert ist, mit ultraniedrigen DCR- und AC-Verlusten. Diese Eigenschaften ermöglichen es, dass ein einzelnes Bauteil sowohl in der Aufwärtswandler-Topologie (BBS3, BBS4) als auch in LED-Treibertopologien (BBS6) effektiv dient. Die spritzgegossene Bauweise liefert zudem eine enge Stück-zu-Stück-Konsistenz, sodass Labormessungen auch über vollständige Produktionsläufe hinweg zuverlässig bleiben.

Gemeinsam lösen diese drei Induktivitäten-Familien die drei voneinander abhängigen Herausforderungen, die die Evaluierung von DC/DC-Reglern erschweren:

• WE-MAPI ist für Submodule mit begrenzter Platinenfläche vorgesehen und verfügt über eine abgeschirmte Bauweise, die unerwünschte Strahlung und Kopplung reduziert, um die EMI-Eigenschaften zu verbessern.
• WE-XHMI liefert den Strom und die thermische Marge für höhere Ausgangsspannungen und Lasten.
• WE-MXGI bringt das Hochfrequenzverlustprofil und die Stabilität, die es einer Induktivitäten-Baureihe ermöglichen, mehrere Topologien zu bedienen und die Ergebnisse einer Laborevaluierung in Serienproduktion umzusetzen.

In Kombination mit dem breiteren Würth-Portfolio an passiven Bauteilen verleihen die drei Induktivitäten-Baureihe dem BB22H52A sein konsistentes Evaluierungsverhalten über alle Topologien hinweg.

Sieben Submodule repräsentieren wichtige Design-Kompromisse

Neben der Möglichkeit eines Vergleichs über mehrere Topologien steht die Auswahl der Regler auf der BB22H52A-Platine für spezifische Designkompromisse, die innerhalb jeder Topologieklasse wiederkehren. Durch das Platzieren gleicher Ausgangs- und gleicher IC-Varianten nebeneinander auf einer einzigen Platine ermöglicht die Plattform den Designern zu sehen, wie Funktionsumfang, Ausgangskonfiguration und Topologiewahl das Reglerverhalten beeinflussen.

Die beiden Niederspannungs-Aufwärtsregler-Submodule BBS1 und BBS3 regulieren bei einer nominalen Eingangsspannung von 1,5 V auf 3,3 V hoch, bieten jedoch deutlich unterschiedliche Feature-Sets. Der MCP16251 im BBS1-Submodul legt seinen Schwerpunkt auf die Langlebigkeit der Batterie durch seine Option zur echten Lasttrennung und einen Ruhestrom von 4 μA im PFM-Modus. Der MCP16411 im BBS3 legt stattdessen seinen Schwerpunkt auf reichhaltigere Überwachung und Schutz bei einem vergleichbaren Ruhestrom von 5 μA.

Die Hochspannungs-Aufwärtswandler-Submodule BBS4 und BBS5 haben denselben MCP1663 Regler, erzeugen jedoch jeweils 12 V bzw. 24 V Ausgangsspannung, was zeigt, wie die Ausgangskonfiguration den maximal verfügbaren Laststrom eines einzelnen Reglers bestimmt. Der MCP1663 ist nicht synchron, sodass jedes Submodul eine externe Schottky-Diode enthält. Hier zeigt sich der Kompromiss bei der Komponentenanzahl im Vergleich zum synchronen Aufwärtswandler im BBS1-Submodul.

Die zwei Abwärtswandler-Submodule sind AEC-Q100-qualifiziert und veranschaulichen den klassischen Kompromiss zwischen synchroner und nicht-synchroner Steuerung. Der MCP16311 auf dem BBS2 ist ein synchroner Abwärtswandler mit bis zu 30 V Eingang und 1 A Ausgang, wodurch ein hoher Wirkungsgrad ohne externen Gleichrichter erreicht wird. Der MCP16331 bei BBS7 ist ein nicht-synchroner Abwärtswandler, der den Eingangsbereich auf 50 V erweitert, allerdings auf Kosten einer externen Schottky-Diode und eines geringeren Ausgangsstroms.

Das BBS6-Submodul basiert auf einem anderen Ansatz, bei dem der MCP1664 LED-Treiber den Ausgangsstrom statt der Spannung regelt und bis zu acht weiße LEDs in Reihe ansteuert. Leerlaufschutz und PWM-Dimmen vervollständigen den LED-spezifischen Funktionsumfang.

Schnellere Evaluierung und der Übergang zu maßgeschneiderten Lösungen

Wenn ein BB22H52A-Submodul wie das BBS1 (Abbildung 4) vollständig montiert und getestet ist, können Entwickler sofort mit der Evaluierung loslegen, indem sie eine externe Stromquelle an die Eingangsklemmen anschließen und eine Last an V_OUT und GND anschließen. Wie bereits erwähnt, schaltet sich der Regler ein, sobald die Eingangsspannung anliegt. Bei eingeschalteter Versorgung misst ein Voltmeter an V_OUT den regulierten Ausgang, der sehr nahe am Nennausgang bleibt, selbst wenn Eingangsspannung und Last variieren.

Abbildung 4: Für die Evaluierung mit dem BB22H52A BBS1-Submodul brauchen Entwickler nur eine Laborspannungsversorgung, ein Voltmeter und eine Last anzuschließen. (Bildquelle: Microchip Technology)

Über die Evaluierung hinaus dient die Platine BB22H52A als Referenzdesign für den Bau maßgeschneiderter DC/DC-Wandler. Unterstützt wird das Produkt durch vollständige Schaltpläne für alle sieben Submodule, ein vierlagiges Platinenlayout und eine Stückliste (BOM) auf Basis leicht verfügbarer Microchip-Regler-ICs und passiver Würth-Komponenten.

Fazit

Die Wahl des richtigen DC/DC-Schaltreglers für ein neues Design fordert die Ingenieure heraus, Topologiewahl, Platinenfläche, Wirkungsgrad, thermische Leistung und EMI-Verhalten auszubalancieren. Die BBS-SW-Plattform BB22H52A hilft dabei, diese Herausforderungen mithilfe einer modularen Evaluierungsarchitektur zu bewältigen. Sie baut auf einem robusten Komponentenportfolio von Würth Elektronik auf, einschließlich dreier Induktivitätsfamilien, die auf die spezifischen Anforderungen jeder Topologie abgestimmt sind, sowie Anschlussblöcken, keramischen Kondensatoren und Dickschichtwiderständen.