GERY013C january 2023 – april 2023 LMQ61460-Q1 , TPS54319 , TPS62088 , TPS82671 , UCC12040 , UCC12050

Wodurch wird die Leistungsdichte begrenzt?

Seit Jahren bemühen sich Experten und Forscher darum, M?glichkeiten zur Steigerung der Leistungsdichte zu finden. Genau darin liegt die Herausforderung. Zumeist wurde sich darauf konzentriert, die für die Energieumwandlung verwendeten passiven Bauteile zu verkleinern. Wie aus Abbildung 4 hervorgeht, ben?tigen Induktoren, Kondensatoren, Transformatoren und Kühlk?rper in bei der Stromversorgung normalerweise meisten Platz. Halbleiterschalter und Steuerschaltkreise sind erheblich kleiner und besser integriert.

Abbildung 4 Passive Komponenten wie Induktoren und Kondensatoren k?nnen sehr viel Raum einnehmen.

Wie kann die Gr??e von passiven Bauteilen verringert werden? Eine einfache L?sung besteht darin, die Schaltfrequenz zu erh?hen. Die passiven Bauteile in Schaltwandlern speichern Energie und geben diese mit jedem Schaltzyklus ab. Wenn wir die Schaltfrequenzen erh?hen, wird für jeden dieser Schaltzyklen weniger Energiespeicher gebraucht. Beispiel: Gleichung 1 als Entwicklungsgleichung für den Induktor in einem Abw?rtswandler:

Gleichung 1.

L = \frac{D \times V_{L}}{f_{S W} \times ? I_{L}}

L ist die Induktivit?t
D ist die relative Einschaltdauer
ΔI_L ist die Welligkeit des Induktorstroms
f_SW ist die Schaltfrequenz
V_L ist die Spannung über den Induktor

Die ben?tigte Induktivit?t (L) ist umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz (f_SW). Mit zunehmender Schaltfrequenz nimmt die Induktivit?t ab. Geringere Induktivit?t führt dazu, dass kleinere Induktoren verwendet werden k?nnen und Platz eingespart wird. Abbildung 5 zeigt den Gr??enunterschied der ben?tigten Induktoren in einer 3-A-/36-V-Wandlerschaltung bei 400 kHz gegenüber 2 MHz.

Abbildung 5 Gr??envergleich eines 3-A-/36-V-Wandlers mit 400 kHz (links) und 2 MHz (rechts).

Es gibt aber auch noch andere Vorteile bei der Verwendung einer h?heren Schaltfrequenz. Durch die Erh?hung der Schaltfrequenz l?sst sich die Bandbreite der Regelkreise erh?hen, wodurch die Einschwingleistung mit geringerer Ausgangskapazit?t erreicht werden kann. Filter für elektromagnetische St?rungen (EMI) mit Differenzmodus k?nnen mit weniger Induktivit?t und Kapazit?t entwickelt werden. Somit k?nnen kleinere Transformatoren verwendet werden, ohne das magnetische Kernmaterial zu s?ttigen.

Warum also nicht einfach die Schaltfrequenz erh?hen? Wie sich herausstellt, ist dies leichter gesagt als getan. Auch wenn Sie alle passiven Elemente, die in Leistungswandlern verwendet werden, auf ein ganz geringes Ma? verkleinert haben, gibt es auch immer noch andere M?glichkeiten, die Gr??e der Stromversorgungsl?sung zu verringern. Leistungsschalter, Gate-Treiber, Modus-Setting-Widerst?nde, Rückkopplungs-Netzwerkkomponenten, EMI-Filter, Stromsensor- Komponenten, Schnittstellen-Schaltungen, Kühlk?rper und viele andere Komponenten besetzen wertvollen Platz. In all diesen Bereichen des Gesamtleistungsdesigns k?nnen innovative Ideen angewendet werden, um die Leistungsdichte zu erh?hen. Lassen Sie uns gemeinsam ansehen, welche Komponenten dafür verantwortlich sind, dass wir die Leistungsdichte nicht so einfach erh?hen k?nnen.