Warum sind Aufwärts-/Abwärtswandler nie vollständig integriert/all-in-one?

Beim Wechsel von kleinen Arduino-Anwendungen zu leistungsstärkeren Anwendungen für die Arbeit musste ich von der Verwendung einfacher Linearregler auf das Schalten von Aufwärts-/Abwärtswandlern umsteigen, wenn eine andere Spannung als die verfügbare erforderlich war. Dies war eine viel größere Lernkurve, als ich erwartet hatte; Dinge wie Schaltfrequenz, Induktivitäts- und Kapazitätswerte müssen alle berücksichtigt werden, und fast immer sind mehrere externe Komponenten (z. B. die Induktivität) erforderlich, damit der Wandler funktioniert.

Meine Frage ist, warum sind diese zusätzlichen Komponenten fast immer extern? Ich beschwere mich nicht, ich habe ziemlich viel von dem Switch gelernt und es ist keine allzu schlechte Kurve, ich bin nur neugierig, warum es anscheinend keine Plug-and-Play-ICs gibt (zumindest nicht, dass ich habe für 24V, 3A Ausgang gefunden, korrigiere mich wenn ich falsch liege) wie es für kleinere Linearregler gibt.

Meine Vermutung wäre, dass zu viel Wärme erzeugt wird?

Ist das die "Integrationsstufe", an die Sie denken? ti.com/product/TPSM84209
@MarcusMüller Ziemlich viel, das scheint für nur 4 mm x 4 mm ziemlich beeindruckend zu sein
Analog Devices hat einige All-in-One-PMICs namens µModule . Einige von ihnen sehen ziemlich komisch aus, wenn die Induktoren oben auf der Verpackung angeheftet sind.
@Isaac Middlemiss Es gibt ein 2,9 mm x 2,6 mm großes DC-DC-Modul ( ti.com/product/TPS81256 ).

Antworten (3)

Es hat mit den Einschränkungen von Silizium zu tun.

Sie können leicht viele Transistoren in Silizium herstellen und sie miteinander verbinden.

Widerstände und Kondensatoren, insbesondere solche mit beliebiger Präzision, sind härter, und Sie können sie nicht wirklich dazu bringen, mit nennenswerter Energie umzugehen. Es ist möglich, aber sie nehmen viel Platz ein (ich bin mir nicht sicher, wie die Dinge jetzt stehen, aber irgendwann nahm die typische interne Kompensationskappe für einen stabilen Operationsverstärker mit Einheitsverstärkung den größten Teil des Siliziums ein).

Induktoren sind direkt aus. Sie brauchen niederohmige Wicklungen, Sie brauchen einen Magnetkern, Sie brauchen Größe .

Aus diesem Grund verfügt Ihr Schaltnetzteil über einen Chip, der alles tut, was in Silizium vernünftigerweise möglich ist, und ist dann von (relativ) großen Kondensatoren und einer (relativ) großen Spule umgeben.

Schön und prägnant. Ich würde hinzufügen, dass die magnetische Energie des nützlichen Induktors im Zwischenvakuumraum gespeichert wird und das benötigte Volumen bei fester relativer Permittivität proportional zur gespeicherten Spitzenenergie ist. Das heißt, sie stellen All-in-One-Module wie das PM-03 her (in diesem Fall jedoch AC zu DC). Der Grund, warum ich dies schreibe, ist, dass das OP es möglicherweise nicht weiß; und trotz ihrer Größe können sie perfekt für die Interessen des OP geeignet sein.
@jonk - Ich wollte die Dinge nicht komplizieren. Interessante Vorstellung darüber, wo die nützliche Energie endet - haben Sie einen Hinweis darauf?
Sie können es selbst finden, indem Sie sich die Gleichungen genau ansehen, entweder in Feynmans 2. Vorlesungsband oder durch eine sehr einfache Analyse der üblichen auf Elektronik basierenden Induktorgleichungen. Ich arbeite den ganzen Tag mit Physikern zusammen, und was mich zum „Nachdenken“ zwang, war ein fast beleidigender Kommentar eines Physikers zu mir, als ich vor mehr als 30 Jahren meinen eigenen Mangel an Nachdenklichkeit in Bezug auf das Thema zeigte. Es war ein kurzer Schlag ins Gesicht und er ging nicht näher darauf ein. Aber dieses Ereignis zwang mich, „nachzuschauen“. Dann sah ich es leicht. (Wenn Sie möchten, kann ich mehr schreiben.)
Wie schaffen es Geräte wie dieses aus Marcus' obigem Kommentar dann? Verlieren sie Präzision?
@IsaacMiddlemiss, sie verstecken einen Induktor (und vielleicht einen diskreten Kondensator) in der Formmasse.
@ThePhoton Ich habe so viel vermutet, aber angesichts von TimWescotts Antwort, wie haben sie es so klein gemacht und trotzdem eine bedeutende Leistung erzielt?
@IsaacMiddlemiss Sie werden sehen, dass das ein "Modul" genannt wird, kein "IC". Dieses Wort (plus die Höhe und die Gesamtgröße) lässt Sie wissen, dass sich in diesem Paket ein "normaler alter" Schaltkreis befindet.
@IsaacMiddlemiss Im Allgemeinen werden Schaltversorgungen durch sorgfältiges Design und durch Erhöhen der Schaltfrequenz kleiner. Die Induktorgröße wird durch die Energie bestimmt, die er benötigt, um jeden Zyklus zu speichern. Wenn alle anderen gleich sind, speichert der Induktor bei steigender Schaltgeschwindigkeit weniger Leistung pro Zyklus für denselben Leistungspegel.
Überraschenderweise sagt das Datenblatt, dass das Design eine feste Frequenz von 750 kHz hat.
@IsaacMiddlemiss Es ist nicht nur der Ausgangspegel, sondern auch die Qualität. Die Induktivität und der Kondensator geben bei einer festen Schaltfrequenz die Welligkeit vor.

Es sind auch diese kompakten micoModule erhältlich, beispielsweise von Analog Devices [Linear Technology].

Es integriert Controller, Induktor und Kondensatoren in einem Gehäuse:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Gründe für die Verwendung solcher Module sind:

  • Mangel an Ressourcen für die SMPS-Entwicklung
  • Hohe Integration für Anwendungen mit geringer PCB-Fläche
  • Hohe Beständigkeit gegen mechanische Stöße

Vollintegrierter DC-DC-Wandler wird oft als "DC-DC-Modul" bezeichnet (Beispiele) . DC-DC-Module sind im Handel weit verbreitet. Wenn Sie auf KC705 (Kintex-7-Evaluierungskit) schauen, sehen Sie auf der rechten Seite vier voll integrierte DC-DC-Module.

Bemerkenswert ist, dass viele Hersteller von Kondensatoren ihre eigenen DC-DC-Module mit Komponenten herstellen, die nicht verkauft werden.

Warum sind Aufwärts-/Abwärtswandler nie vollständig integriert/all-in-one?
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