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14 Trend Guide Leistungshalbleiter 2022 www markttechnik de Fokus • Schwere Last – die Anwendung arbeitet unter Nennbedingungen was zu einem Nennenergieverbrauch führt Daher muss das Energiemanagementsystem flexibel genug sein um in jeder Lastsituation die beste Leistung und den höchsten Wirkungsgrad zu entfalten Wirkungsgrad und Schaltverhalten Bild 1 zeigt den Wirkungsgrad des 1 2-A-MagI 3 C-MicroModuls 171010550 als Beispiel für die oben beschriebene Situation einer schweren Last Man sieht das typische Verhalten das von Standardabwärtswandlern zu erwarten ist die im Pulsbreitenmodulationsmodus PWM arbeiten Der erzwungene PWM-Modus ist weit verbreitet und kommt in den meisten industriellen Netzteilen zum Einsatz Diese Betriebsart ist für diese Anwendungen zufriedenstellend weil sie während des größten Teils ihrer Lebensdauer unter schweren Lastbedingungen arbeiten Anwendungen wie Sensoren weisen jedoch eine andere Lastsituation auf Hier ist der leichte Lastzustand die vorherrschende Betriebssituation Daher muss das Schaltverhalten angepasst werden um in dieser Lastsituation optimal zu funktionieren Dazu bietet die Betriebsart der Pulsfrequenzmodulation PFM eindeutig höhere Effizienzwerte wenn der Laststrom sinkt wie Bild 2 zeigt Dies unterstützt eine längere Lebensdauer der Batterie in batteriebetriebenen Geräten In Form der grauen Kurve Vout 1 8 Vist der Übergang zwischen PFMund PWM-Modus bei etwa 400 mA dargestellt Dabei hängt der genaue Punkt an dem der Übergang stattfindet von der gewählten Ausgangsund Eingangsspannung ab Schaltverhalten im PFM-Modus Bild 3 vergleicht den Strom durch die Induktivität des MicroModuls WE 171010550 bei PWMund PFM-Verhalten Im PFM-Modus schaltet der Strom in Pulsen Sowohl der Lastals auch der Ausgangskondensator werden während jedes Pulses mit Energie versorgt Während der Leerlaufzeit der Zeit zwischen zwei Pulsen sind beide Schalter der obere und der untere ausgeschaltet Dadurch kann der Ausgangskondensator den Laststrom ganz allein liefern Entsprechend sinkt der Energieverbrauch des Moduls zwischen zwei Pulsen drastisch bis das Feedback-System den nächsten Puls auslöst Zudem ist der Wirkungsgrad im PFM-Modus aufgrund der geringeren Schaltverluste deutlich höher als im herkömmlichen PWM-Modus Die Leerlaufzeit ist umgekehrt proportional zum Laststrom das heißt wenn der Laststrom steigt verringert sich die Zeit zwischen den Pulsen Geht die Leerlaufzeit gegen Null schaltet das Modul vom PFMin den PWM-Modus zurück und kehrt zu einem konstanten Schaltverhalten bei der Standardschaltfrequenz von 4 MHz zurück Im PFM-Modus ist der Induktionsspitzenstrom höher als im PWM-Modus sodass die gleiche Energiemenge in einem bestimmten Zeitraum an die Last abgegeben werden kann während sich gleichzeitig die im Wandler erzeugten Verluste verringern Während der Leerlaufzeit des Pulsmodus erzeugt das Modul im Vergleich zum PWM-Modus keine Verluste Ist die Ausgangsspannung höher als ein bestimmter Wert bleiben beide Schalter ausgeschaltet Da der Ausgangskondensator die einzige Versorgungsquelle für die Last ist nimmt die Ausgangsspannung mit der Zeit ab Wenn die Ausgangsspannung auf einen bestimmten Wert abfällt beginnt der nächste Pulszyklus Dabei hängt der resultierende Wert des Ripple-Stroms vom Schwellenwert ab der intern vom Controller-IC eingestellt wird Durch die einfache Vergrößerung des Ausgangskondensators lässt sich der Ausgangsspannungs-Ripple im PFM-Modus reduzieren Dem Da-Bild 1 Wirkungsgrad im erzwungenen PWM-Modus in Abhängigkeit von verschiedenen Lastbedingungen mit dem WE-MagI 3 C-MicroModul 171010550 Der Autor Timur Uludag ist Technical Marketing Manager bei Würth Elektronik eiSos Herausforderungen Lösung Begrenzter Platinenplatz und hoher Strombedarf Sehr kleine Bauformen und hohe Leistungsdichten Begrenzte Batterielebensdauer Sehr geringer Ruhestrom und hoher Wirkungsgrad Temperaturempfindlichkeit Hoher Wirkungsgrad Zuverlässig lange Lebendauer Ausgereifte und bewährte Technologie synchroner Abwärtswandler mit zuverlässigen nach höchsten Standards qualifizierten Gehäusekonzepten Extrem niedrige EMV-Störabstrahlung Integrierte geschirmte Induktivität optimiertes Substratlayout kurze Stromschleifen Unerwartete dynamische Lastund Eingangsspannungswechsel Enge Ausgangsspannungstoleranz und geringe Ripple schnelles Einschwingverhalten Herausforderungen und Lösungen im DC DC-Wandler-Design