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Energieeffizienter DC/DC-Wandler

Induktivität als intrinsischen Kühlkörper genutzt

21. August 2019, 11:45 Uhr | Von Roy Shoshani, Vice President der Power and Linear IC division von Vishay Intertechnology

Bild 1: Die Evolution der Integration von DC/DC-Wandlern

Nur unwesentlich größer als die verwendete Induktivität sind die neuen microBrick-DC/DC-Wandlermodule von Vishay. Sie sind nicht nur kompakter als bisherige Lösungen, sie bieten dem Entwickler zudem thermische und elektrische Vorteile für seine jeweilige Applikation.

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Systemen der nächsten Generation ist die Energieversorgung von Mikroprozessoren, DSPs, FGPAs und ASICs in Servern, Telekommunikationsgeräten und IoT-Systemen. Prozessoren werden immer schneller, der verfügbare Platz wird knapper und der Energiebedarf nimmt zu – dies gilt für unterschiedlichste Produkte, von 5G-Kleinzellen über Funkgeräte bis hin zu Robotern. All dies erschwert es, die geforderten hohen Leistungen bereitzustellen und die Performance zu optimieren.

Diese neuen Anwendungen erfordern daher hocheffiziente DC/DC-Wandler mit hoher Leistungsdichte. Systementwickler benötigen Lösungen, die sofort einsetzbar sind und hohe Anforderungen – beispielsweise weiter Eingangsspannungsbereich und ultraschnelles Transientenverhalten – erfüllen. Im Idealfall vereint eine solche Lösung mehrere Funktionen in einem einzigen, kompakten Gehäuse.

Entwickler haben heute die Wahl nicht nur zwischen zahlreichen Herstellern, sondern auch zwischen verschiedenen Graden der Integration. An einem Ende des Integrationsgrad-Spektrums finden sich herkömmliche Lösungen, bestehend aus einer Kombination aus einem IC-Controller, diskreten MOSFETs und zahlreichen passiven Bauelementen. Dieser diskrete Ansatz bietet ein hohes Maß an Flexibilität und ist unter Umständen von den Materialkosten her günstiger, erfordert aber andererseits einen größeren Zeitaufwand für Entwicklung und Validierung. Zudem ist es auch eine riskantere Strategie, da sie ein hohes Maß an technischem Spezialwissen erfordert.

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In jüngster Zeit wurden Lösungen entwickelt, die IC-Controller und Power-MOSFETs in einem einzigen Gehäuse vereinen. Dieser Ansatz ermöglicht höhere Wirkungsgrade und höhere Schaltfrequenzen plus zusätzliche Funktionen – insbesondere Schutzfunktionen – in kompakter Bauform.

Am anderen Ende des Spektrums finden sich diverse modulare Lösungen, die sowohl aktive als auch passive Bauelemente in einem einzigen Gehäuse vereinen. Bislang kamen diese jedoch aufgrund des höheren Preisniveaus oft nicht infrage. Ihre höheren Preise resultieren vor allem daraus, dass der größere Platzbedarf der Bauteile und die geringen Produktionsstückzahlen tendenziell die Herstellungskosten erhöhen.

Halbleiterhersteller arbeiten ständig daran, die Leistung ihrer Produkte zu verbessern und deren Produktionskosten zu senken; hierzu forschen sie an neuen Silizium-Technologien und neuen Wide-Bandgap-Halbleitermaterialien. Dadurch können sie die Abmessungen ihrer Produkte immer weiter verkleinern.