Auswahl eines DC/DC-Wandlers
Feste oder variable Frequenz?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Feste oder variable Frequenz?
Bei der »Distributed Power«-Architektur (DPA) handelt es sich um einen dezentralen Aufbau (Bild 3), bei dem ebenfalls sowohl Festfrequenz- als auch frei schwingende Wandler zum Einsatz kommen können. Eine Zwischenkreisspannung, in der Regel 48 V oder 300 V je nach Spannungsquelle, wird zu den einzelnen Boards geführt, um daraus dann mittels individueller isolierter Wandler die jeweils benötigte Versorgungsspannung in der Nähe der Last zu erzeugen.
Diese Wandler werden so ausgesucht, dass ihre Daten den Anforderungen der Last entsprechen. Dadurch lassen sich dynamische Lasten besser ausregeln sowie die Probleme lösen, die sich aus der Verteilung von niedrigen Spannungen und hohen Strömen im System ergeben. Eine DPA-Lösung kann aber auch kostenintensiver sein. Isolation, Regelung, Übertragung, EMV-Filterung und Eingangsschutz müssen für jeden einzelnen Wandler wiederholt werden, und mit steigender Anzahl von Verbrauchern erhöhen sich die Kosten sowie der auf der Leiterkarte benötigte Platz für die Stromversorgung.
Die »Intermediate Bus«-Architektur (IBA) wurde erdacht, um die Vielzahl der in modernen Systemen benötigten niedrigen Spannungen auf effiziente Weise zu erzeugen.
Zum Einsatz kommen nicht isolierte Point-of-Load-Wandler (ni-POLs) und an der Last erfolgt nur noch eine Regelung der Spannung (Bild 4). Gespeist werden diese niPOLs von einer so genannten Intermediate-Bus-Spannung, die ihrerseits durch vorgeschaltete isolierte DC/DC-Wandler erzeugt wird. Hierdurch reduziert eine solche Lösung die Gesamtkosten, da niPOLs durch die fehlende galvanische Trennung billiger sind als komplette DC/DC-Wandler.
Aber die typischen in niPOLS eingesetzten Abwärtswandler leben in einem konstanten Konflikt zwischen optimalem Wirkungsgrad und möglicher Pulsweite im Wandler. Für die galvanische Trennung vom DC-Bus sowie die Herabsetzung der Spannung benötigen niPOLs in einem IBA-System einen vorgeschalteten Buswandler.
Diese Funktion übernimmt der Intermediate-Bus-Wandler, bei dem es sich entweder um einen kompletten DC/DC-Weitbereichswandler oder um einen nicht geregelten Wandler mit einem engeren Bereich der Eingangsspannung handelt. Diese zusätzliche Wandlerstufe verschlechtert natürlich den Gesamtwirkungsgrad. Zusätzlich muss dieser Wandler weiterhin möglichst nahe an der Last angebracht sein, da bei einem 12-V-Bus der vierfache Strom im Vergleich zu einem 48-V-Bus fließt.
Diese bedeutet entweder dickere oder kürzere Leiterbahnen. Die 12-V-Busspannung ist auch zu hoch, um daraus Spannungen von unter 2 V mit vernünftigem Wirkungsgrad erzeugen zu können. Das Übersetzungsverhältnis wird zu groß und dadurch die Pulsweite im PWMWandler zu klein. Die Ausspannung zu senken führt nicht zum Ziel, da hierbei die oben erwähnten Probleme verstärkt würden.
»Factorized Power«-Architektur
Bei der »Factorized Power«-Architektur kommen frei schwingende Wandler zum Einsatz, und die grundsätzlichen Wandlerstufen wie Spannungsübertragung, Isolation und Regelung werden neu organisiert.
Gleichzeitig kommen IC-ähnliche Gehäuseformen zum Einsatz. Aus einer ungeregelten Busspannung erzeugt ein Vorregler mit integriertem Auf/Abwärtswandler (PRM, Pre-Regulator Module) eine exakt geregelte Spannung.
Nachgeschaltet wird ein DC-Spannungsübertrager (VTM, Voltage Transformation Module), der diese Spannung je nach Anforderung hoch- oder herabsetzt und die galvanische Trennung für die Last gewährleistet. FPA-Chips arbeiten mit hohen Taktfrequenzen und nutzen weich schaltende Topologien, deren Schaltvorgänge beim Strom- und beim Spannungsnulldurchgang erfolgen.
Damit bieten sie den Entwicklern neben einer Leistungsdichte an der Last von über 1000 W/in3 eine weitere Vielzahl von Vorteilen wie kleine Baugröße, hoher Wirkungsgrad, geringe Störspannungen sowie eine schnelle Reaktion auf Lastsprünge.
Die grundsätzliche Anordnung einer FPA-Schaltung zeigt Bild 5, die PRM- und VTM-Module können jedoch auch einzeln, zusammen, mit offener, lokaler oder adaptiver Regelschleife sowie im Remote-Sense-Betrieb eingesetzt werden. Um die gewünschte Lösung für die jeweilige Applikation zu erhalten, sind auch ein Parallelbetrieb sowie der Einsatz mit anderen DC/DC- beziehungsweise Point-of-Load-Wandlern sowie Ladepumpen möglich.
- Feste oder variable Frequenz?
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