Kitronik Arcade für BBC micro:bit und MakeCode Arcade Viele elektronische Designs, wie beispielsweise batteriebetriebene Systeme, erfordern leistungsstarke DC/DC-Wandler, um bei Eingangsspannungsschwankungen einen stabilen Spannungsausgang aufrechtzuerhalten. Obwohl Abwärts-Aufwärts-Topologien mit vier Schaltern aufgrund ihrer Flexibilität und Leistungsdichte eine gängige Wahl sind, gibt es bei der Erweiterung dieser Systeme auf Hochstromanwendungen erhebliche Designherausforderungen. Der Designer muss die Architektur innerhalb der Abwärts- und Aufwärtsspannungsregler sorgfältig ausbalancieren. Insbesondere die Integration von Induktivitäten und Stromerkennungsgeräten wird die Gesamtgröße, Komplexität und Effizienz der Schaltung erheblich beeinflussen.
Dieses Papier bietet einen kurzen Überblick über die Herausforderungen und Kompromisse, mit denen Energiesystemdesigner konfrontiert sind. Anschließend werden die Lösungen aus der Buck- und Boost-Pressurizer-Produktlinie von Analog Devices vorgestellt und wie sie diese Herausforderungen bewältigen und das Design optimieren. Hervorgehoben werden Evaluierungskits und Software, mit denen Designer das Prototyping und die Entwicklung beschleunigen können.
Integrierte Kompromisse beim Hochstrom-Abwärts-Aufwärts-Design
Bei einem Abwärts-Aufwärtswandler mit vier Schaltern benötigt die Leistungsstufe vier MOSFETs, eine Leistungsinduktivität und ein Stromerfassungsgerät. Die Zuordnung dieser Komponenten zwischen Modulpaketen und Leiterplatten (PCBs) ist eine zentrale Architekturentscheidung für Designer.
Die externe Platzierung von Induktivitäten und Erkennungswiderständen auf Leiterplatten gibt dem Designer die vollständige Kontrolle über die Komponentenauswahl. Induktorgröße, Kernmaterial und Sättigungsstrom können genau auf die Anwendung abgestimmt werden. Diese Flexibilität hat jedoch ihren Preis: Externe Komponenten belegen Platz auf der Platine, verkomplizieren das Layout und erfordern eine sorgfältige Verkabelung, um Rauschen im Stromerkennungspfad zu minimieren.
Die Integration von Induktivitäten und Erkennungswiderständen in das Modulpaket vereinfacht Design und Layout und reduziert die Anzahl der Komponenten und den Platzbedarf der Leiterplatte. Es gibt jedoch Kompromisse: Der Induktor ist durch die Gehäusegröße begrenzt, was den maximalen Ausgangsstrom und die thermische Leistung einschränken kann.
Darüber hinaus kann der Erkennungswiderstand durch ein zerstörungsfreies Stromerfassungsschema ersetzt werden, wodurch der Erkennungswiderstand vollständig entfällt. Dies verbessert zwar die Energieeffizienz, führt jedoch zu komplexeren IC-Designs (Integrated Circuit) für Step-Down-Boost-Module.
Wie bewältigen die drei Modulreihen die Herausforderungen der Step-Down- und Step-Up-Integration?
Als Teil seiner umfangreichen µ-Modul-Produktlinie bietet Analog Devices eine breite Palette von DC/DC-Modulen an, die Designern die Wahl zwischen diesen Integrationsstrategien ermöglicht. Dieses Dokument konzentriert sich auf das Abwärts-Boost-Modul mit vier Schaltern (Abbildung 1): LTM4607, LTM4605 und LTM4; LTM8055, LTM8056 und LTM8054; Und LTM4712. Jeder ist für unterschiedliche Bereiche innerhalb der Eingangsspannungs- und Ausgangsstrombereiche bestimmt.
Vier-Schalter-Abwärts-Aufwärts-µ-Modulgrafik
Abbildung 1: Dargestellt sind die vierstufigen Step-Down-Step-Up-µ-Module, die für unterschiedliche Eingangsspannungen und Ausgangsströme unterschiedlich aufgebaut sind. Bildquelle: Analog Devices, modifiziert von Kenton Williston)
DC/DC-Wandler mit externer Induktivität und Erkennungswiderstand
LTM4, LTM4605 und LTM4integrierte Controller und MOSFETs in µ-Modulpaketen mit Leistungsinduktivitäten und Strommesswiderständen außerhalb der Leiterplatte (Abbildung 2). Diese Struktur ermöglicht Entwicklern eine flexible Auswahl der Induktor- und Induktorwiderstandswerte, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen.
Schematische Darstellung der analogen Geräte LTM4, LTM4605 und LTM4
Abbildung 2: Verpackung (links) von LTM4607, LTM4605 und LTM4 und entsprechendes Leistungspegelschema (rechts) mit hervorgehobenen externen Induktivitäten und Induktionswiderständen. Bildquelle: Analog Devices)
LTM4-, LTM4605- und LTM4pin-kompatible 15 mm x 15 mm x 2,82 mm große LGA-Gehäuse. Der LTM4605 ist für Niederspannungsanwendungen mit einem Eingangsspannungsbereich von 4,5 V bis 20 V und einem Ausgangsstrom von 12 A (reduzierter Spannungsmodus) konzipiert. LTM4607 und LTM4 erweitern den Eingangsbereich von 10 A (reduzierter Spannungsmodus) auf 36 V, wobei LTM4 den breitesten Ausgangsspannungsbereich von 0,8 V bis 34 V bietet.
DC/DC-Wandler mit integrierter Induktivität und Erkennungswiderstand
LTM8055, LTM8056 und LTM8054 (Abbildung 3) integrieren Leistungsinduktivitäten und Strommesswiderstände in µ-Modulpakete, um Design und Layout durch Reduzierung der Anzahl externer Komponenten auf der Leiterplatte zu vereinfachen.
Schematische Darstellung der analogen Geräte LTM8055, LTM8054 und LTM8056
Abbildung 3 zeigt das Modul (links) der LTM8055-, LTM8054- und LTM8056-Geräte und hebt den schematischen Aufbau (rechts) der integrierten Induktivität und des Erkennungswiderstands hervor. Bildquelle: Analog Devices)
Von den drei verschiedenen Serien, die in diesem Dokument besprochen werden, hat diese Serie den niedrigsten Ausgangsstrom: 5,4 A für LTM8054, 5,5 A für LTM8056 und 8,5 A für LTM8055 (alle Werte im Abwärtsmodus). Der LTM8056 hat einen Eingangsbereich von 5 V bis 60 V, was der breiteste der hier besprochenen Geräte ist, und eine maximale Ausgangsspannung von 48 V. Der LTM8054 ist der kompakteste, 15 mm x 11,25 mm Grundfläche und 3,42 mm Höhe für platzbeschränkte Designs. LTM8055 und LTM8056 sind in 15 mm x 15 mm x 4,92 mm gekapselt.
DC/DC-Wandler mit integrierter Induktivität und zerstörungsfreier Stromerkennung
LTM4712 (Abbildung 4) verwendet verschiedene Methoden zur Stromerkennung. Anstatt separate Prüfwiderstände zu verwenden, kommt eine proprietäre NDI-Lösung zum Einsatz, die im Modul integriert ist. Dadurch entfällt der mit dem dedizierten Erkennungswiderstand verbundene Leistungsverlust.