Wenn kleiner besser ist: Was Power-Module bieten

In diesem Power-Tipp stellen wir fertige Spannungswandler vor, sogenannte Power-Module, die extrem klein sind und bereits viele passive Bauelemente integriert haben.

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Seit vielen Jahren gibt es auf dem Markt sogenannte Power-Module. Dies sind fertige Spannungswandler, meist getaktet, welche einfach auf eine Platine gelötet werden können. Sie wandeln eine Eingangsspannung in eine geregelte Ausgangsspannung.

Im Vergleich zu einem Schaltregler-IC, wo meist nur die Steuerung sowie die Leistungsschalter in einen Chip integriert sind, bieten Power-Module auch die Integration von vielen passiven Bauteilen.

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Was sind Power Module?

Üblicherweise spricht man von einem Power-Modul, wenn die Spule integriert wird. Bild 1 zeigt die notwendigen Bauteile für einen getakteten Abwärtswandler (Buck-Topologie). Die gestrichelten Linien zeigen den Umfang eines Schaltregler-ICs sowie den Umfang eines Power-Moduls.

Die Entwicklung der Spannungswandler-Schaltung wird bei solchen Bausteinen vom Hersteller des Power-Moduls übernommen und der Anwender muss kein Stromversorgungsexperte sein. Zudem kann durch die hohe Integration innerhalb des Moduls die Baugröße der getakteten Spannungsversorgung besonders klein sein.

Alle externen Bauteile können meistens nicht integriert werden. Das hat eine einfache Ursache. Sollen beispielsweise bestimmte Einstellungen wie die Schaltfrequenz oder auch die Dauer des Sanftanlaufes wählbar sein, muss der Schaltung mitgeteilt werden, was sie tun soll.

Dies wäre auf digitale Weise möglich. Hierzu würde man jedoch einen Mikrocontroller und nichtflüchtigen Speicher benötigen mit entsprechenden Kosten. Um diesen Aufwand zu umgehen, werden derartige Einstellungen über externe, passive Komponenten getätigt.

Eingangs- sowie Ausgangskondensatoren werden teilweise in Power Module integriert, teilweise aber auch extern benötigt. Bild 2 zeigt eine Schaltung mit dem neuen LTM8074. Das ‚M‘ in der Bauteilebezeichnung steht für Micro-Modul, also µModule. Alle Power Module von Analog Devices werden als µModule bezeichnet.

Um die Typenvielfalt zu reduzieren sowie eine gewisse Flexibilität für die Anwendung zu bieten, wird die gewünschte Ausgangsspannung mit nur einem externen Widerstand eingestellt. Wenn kein Sanftanlauf benötigt wird, muss kein Kondensator an den entsprechenden Pin angeschlossen werden.

Diese Fähigkeiten ermöglichen eine Spannungswandlung auf extrem kleiner Platinenfläche. Bei einer Kantenlänge von 4 mm x 4 mm und einer minimalen externen Beschaltung kann die komplette Spannungswandlung mit dem LTM8074 auf einer Leiterplattenfläche von ca. 8 mm x 8 mm realisiert werden. Dies erfolgt bei einer Eingangsspannung bis 40 V und einem zulässigen Ausgangsstrom bis 1,2 A. Bild 3 zeigt ein Beispiellayout mit den benötigten externen Bauteilen.

Für kleine Spannungsversorgungen ist es auch sehr wichtig, eine besonders hohe Wandlungseffizienz zu bieten. Ansonsten gäbe es potentiell Probleme mit der Ableitung von Verlustwärme.

Fazit: Hoch integrierte Power Module sind nicht nur dazu geeignet, den Entwurf einer getakteten Spannungsversorgung zu vereinfachen, sondern sind auch nützlich für eine effiziente Spannungswandlung auf extrem kleinem Bauraum. Der LTM8074 bietet sich hierfür an, da er extrem klein ist. Durch die integrierte Silent-Switcher-Technologie kann er sogar in Schaltungen eingesetzt werden, die besonders störempfindlich sind und üblicherweise von Linearreglern versorgt werden.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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