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TOREX: NEUE GENERATION VON DC/DC-WANDLER ICS MIT EXTREM NIEDRIGER RESTWELLIGKEIT!!!

Bei den meisten drahtlosen Systemen, z.B. GPS, WiFi, Bluetooth  etc. ist die Reinheit des Trägersignals von überragender Bedeutung. Normalerweise darf die Restwelligkeit der Versorgungsspannung höchstens 10mV betragen, sodass das Trägersignal im gesamten Frequenzbereich frei von Störsignalen ist. Aber was genau ist eigentlich eine Restwelligkeit?

Wenn man die Wellenform der Ausgangsspannung eines typischen DC/DC-Wandlers mit Hilfe eines Oszilloskops betrachtet, dann kann man ein “Schaltrauschen” beobachten. Das Schaltrauschen setzt sich zusammen aus Störspannungsspitzen und einer Restwelligkeit. Bei den Störspannungsspitzen handelt es sich um hochfrequente Störungen mit einer Frequenz oberhalb von einigen MHz, die beim Ein-/ Ausschalten auftreten. Diese werden beeinflusst von den verwendeten Peripheriebauteilen, sowie der parasitären Kapazität und parasitären Induktivität der Schaltung.

Die Restwelligkeit andererseits ist die Spannungsänderung, die durch die Glättung des Stroms der Induktionsspule durch den CL-Kondensator verursacht wird. Diese lässt sich grob berechnen, indem man die Änderung des Stroms der Induktionsspule mit dem Reihenersatzwiderstand des CL-Kondensators multipliziert. Durch Beobachten der Wellenform der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers mit einem Oszilloskop kann man sehen, wie die Restwelligkeit vom Wert der Induktionsspule und dem Reihenersatzwiderstand des Kondensators abhängt.

Betrachten wir zunächst, wie die Restwelligkeit von Änderungen des Stromwerts der Induktionsspule beeinflusst wird. Wie aus Abbildung 1 hervorgeht, bei der die Eingangs- und Ausgangsbedingungen gleich sind, wird die Änderung des Stroms, der durch die Spule fließt, geringer, wenn der Induktivitätswert steigt. Bei einer Induktivität von 10µH ist somit die Änderung des Stroms der Induktionsspule gering, und die Restwelligkeit ist niedriger.

Aus der Abbildung die die Abhängigkeit der  Restwelligkeit vom Reihenersatzwiderstand des CL-Kondensators darstellt, ist deutlich ersichtlich, dass Keramikkondensatoren eine niedrigere Restwelligkeit aufweisen. Der Reihenersatzwiderstand eines Keramikkondensators ist geringer als der eines Tantal-Kondensators. Dies bedeutet, dass die Restwelligkeit umso niedriger ist, je niedriger der Reihenersatzwiderstand ist. 

Synchrone Wandler mit hohem Wirkungsgrad, wie z.B. die neue 3MHz-Baureihe XC9235/36/37, zeichnen sich durch extrem niedrige Restwelligkeit von typischerweise weniger als 10mV aus. Ein weiterer wichtiger Vorteil für die Entwickler liegt darin, dass die Ausgangsspannung auch ohne zusätzliche externe Filter oder Reglerkreise stabil ist. Bei einer hohen Schaltfrequenz von 3MHz kann lediglich mit einer Induktionsspule mit niedrigem Profil und zwei Kondensatoren (extern angeschlossen) eine hoch effiziente Abwärtstransformationsschaltung erstellt werden, die für Ströme bis 600mA geeignet ist.

Bei Verwendung des ultra kleinen USP-6C-Gehäuses, das  nur  1,8mm x 2,0mm x 0,6mm misst, benötigen der IC und die zugehörigen Bauteile auf der Leiterplatte lediglich 6mm2 Platz. Dadurch eignen sich die Bauteile ideal für platzkritische Anwendungen. Führende Anbieter von RF-Chipsets setzen darum die Bauteile aus dieser Serie bereits bei Bluetooth- und Wireless-LAN–Anwendungen ein, bei denen eine solche niedrige Restwelligkeit gefordert ist.

Bei den Chips aus der Serie XC9235/36/37 handelt es sich um synchrone, abwärts transformierende DC/DC–Wandler mit integriertem P-Kanal-FET und N-Kanal-FET. Der Eingangsspannungsbereich dieser Bauteile liegt zwischen 2,0V und 6,0V, die Ausgangsspannung wird in Stufen von 50mV innerhalb eines Bereichs von 0,8V~4,0V im letzten Fabrikationsschritt durch Laser Trimmung programmiert. Die Serie wird auch bald um neue Versionen  (XC9235/36/37 D/E/F/G) mit einer noch niedrigeren Eingangsspannung (1.8V statt 2V) und der Möglichkeit die Ausgangsspannung extern zu selektieren erweitert.

Die Serie XC9235 arbeitet im PWM-Mode, die Serie XC9236 im PWM/PFM-Mode. In diesem Modus erfolgt bei geringen Lasten eine automatische Umschaltung von Pulsbreitenmodulation (PWM) auf Frequenzmodulation (PFM), dies ermöglicht hohe Wirkungsgrade über einen breiten Lastbereich (siehe Abbildung 5). Beim XC9237 kann der Benutzer über den CE/Mode-Pin zwischen nur PWM-Mode oder automatischer PWM/PFM-Umschaltung auswählen.

In Verbindung mit Keramik-Ausgangskondensatoren erzielen die Bauteile aus der Serie XC9235/36/37 über den gesamten Bereich von Lastströmen äußerst niedrige Restwelligkeit. Sogar in der Nähe des PFM/PWM-Umschaltpunkts erzielen die Chips aus der Serie XC9236 und XC9337 eine Restwelligkeit unterhalb von 10mV, wie aus Abbildung 6 ersichtlich ist. Bei vergleichbaren Produkten steigt die Restwelligkeit des Ausgangs in der Nähe dieses Punktes oft merklich an.

Überblick



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Abb.1: Eine typische Schaltung benötigt lediglich drei externe Komponenten
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Abb.2: Ultra kompaktes Gehäuse zur Optimierung des Platzbedarfs auf der Leiterplatte
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Abb.3: Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom (Vout=1,8 V)
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Abb.4: Serie XC9236 und XC9237 - niedrige Restwelligkeit über den gesamten Lastbereich

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