A tápegység miniatürizálása

A miniatürizálás mindig és mindenütt jelenlévő kritikus téma volt az elektronikai iparban, és különösen fontos a tápegységek esetében. A tápegységek minőségét gyakran a térfogatra jutó teljesítményben fejezik ki. Ez a cikk néhány olyan tápegységtervezési szempontot tárgyal, amelyek segíthetnek a miniatürizálás elérésében.

A külső alkatrészek számának minimalizálása

A tápegység általában legalább egy félvezetőből és passzív külső alkatrészekből, például induktivitásból, kondenzátorokból és néhány ellenállásból áll. Az alkatrészek számának az 1. ábrán bemutatottakra való csökkentése az első lépés a teljes tápegység méretének csökkentése felé.
Ha egyéb funkciókra, például állítható kimeneti feszültségre vagy állítható lágyindítási időre van szükség, a passzív alkatrészek száma és így a teljes megoldás helyigénye megnő. Az 1. ábrán látható áramkör egy példa a minimális számú szükséges passzív alkatrészeket tartalmazó kapcsolóüzemű Buck konverterre.

1. ábra Klasszikus kapcsolóüzemű konverter félvezetővel és passzív alkatrészekkel

A külső alkatrészek méretének minimalizálása

A lehető legkisebb kimeneti kondenzátor- és induktivitás­mérethez a kapcsolóüzemű konverter IC-nek a lehető legnagyobb kapcsolási frekvenciával kell rendelkeznie. A kimeneti feszültség hullámzása elsősorban lineárisan viselkedik a külső alkatrészek értékének és így méretének függvényében. Ha például a kapcsolási frekvencia megduplázódik, a szükséges induktivitás értéke ugyanahhoz a kimeneti feszültséghullámzáshoz a felére csökken. Ez kisebb kialakításokat tesz lehetővé.
A 2. ábra az LTC3307A kapcsolóüzemű konverter helyigényét mutatja. A magas, 3 MHz-es kapcsolási frekvencia miatt kis induktivitás használható.

2. ábra Egy kapcsolóüzemű feszültségkonverter helyigénye 3 A kimeneti áram esetén

A kapcsolóüzemű konverter IC méretének minimalizálása

Az Analog Devices LTC33xx platformja olyan kapcsolóüzemű step-down feszültségkonverterekből áll, amelyek nagy, akár 5 MHz-es kapcsolási frekvenciával alakítanak át. A platformon keresztül elérhető termékeket különböző alkalmazásokhoz tervezték. Az LTC3315A típust helyszűkös alkalmazásokhoz optimalizálták. Ez egy kettős konverter két csatornával, amelyek egyenként 2 A kimeneti áramot képesek leadni egy mindössze 1,64 mm × 1,64 mm méretű, WLCSP tokozásban (Wafer-level chip scale package – a félvezető chip méretével azonos tokozás). A MAX77324 típus szintén figyelemre méltó integrált áramkör. Ez az egycsatornás le- és visszalépő kapcsolóüzemű konverter 1,5 A maximális kimeneti áramot képes leadni, és fizikai mérete mindössze 1,22 mm × 0,85 mm. A 3. ábra a MAX77324 típusú integrált áramköri tok alapterületét mutatja.

3. ábra Kapcsolóüzemű konverter rendkívül kis méretben

4. ábra Az 1,64 mm × 1,64 mm méretű kettős Buck regulátor IC tokozásvázlata

Méretcsökkentés integrált induktivitással

A tápegység-áramkör méretcsökkentésének másik módja az induktivitás és a kapcsolószabályozó IC kombinálása. Ezt a kombinációt modulnak nevezik. Az integráció lehetővé teszi a peremhossz csökkentését azáltal, hogy az induktivitást a félvezető IC-n lehet elhelyezni. Egy másik miniatürizálási akadály is leküzdhető azáltal, hogy a modulban az induktivitást hővezetőként és hőelvezetőként használják. Az induktivitásnak a teljesítménymodulon belüli szilíciumhoz való megfelelő csatlakoztatásával a félvezetőből származó hő rendkívül jól vezethető el. Különösen a kis méretű, nagy kimeneti árammal rendelkező kapcsolóüzemű konverter IC-k esetében a hőelvezetés egyre nagyobb problémát jelent, mivel a szilícium nem használható a megengedett maximális üzemi hőmérséklet felett.
A tápegység méretének csökkentésére innovatív technikák alkalmazásával számos lehetőség van. Ezek közül néhányat érintettek ezek a rövid tápellátás-kezelési ötletek. A miniatürizálás további, közvetett előnyökkel jár, mint például a kisebb nyomtatott áramkör révén elérhető alacsonyabb költségek, a nagyobb funkcionalitású és ezáltal nagyobb hasznot hozó műszaki eszközök építésének lehetősége, sőt a kisebb és könnyebb elektronikus eszközöknek köszönhetően még a szállítási költségek is csökkennek.

Szerző: Frederik Dostal – Alkalmazástechnikai mérnök, Analog Devices

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com