In elektronischen Systemen sind Spannungsregler entscheidend für die Aufrechterhaltung einer stabilen Ausgangsspannung trotz Schwankungen der Eingangsspannung oder der Lastbedingungen. Herkömmliche Spannungsregler, wie z. B. Linearregler und Schaltregler, sind weit verbreitet, haben aber gewisse Einschränkungen, insbesondere bei Hochleistungsanwendungen. Als Spezialfall des mehrphasigen Spannungsreglers versprechen Trans-Inductor-Spannungsregler hier eine höhere Leistung. 

Mehrphasige Spannungsregler (MVR) verwenden mehrere Phasen oder Kanäle, um eine DC-Eingangsspannung in eine andere DC-Ausgangsspannung umzuwandeln, wie in Bild 1 zu sehen ist. Diese Wandler werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Leistungsdichte erfordern, da sie die Energie über die verschiedenen Phasen des Systems verteilen können, was den Wirkungsgrad und die thermische Leistung im Vergleich zu einem einzelnen DC/DC-Regler verbessert. 

Bild 1. DC/DC-Wandler mit Mehrphasen-Spannungsregler-Topologie.

In einer Welt, in der die Kunden jedes Jahr mehr und mehr Leistung in kürzerer Zeit benötigen, ist jede mögliche Leistungsverbesserung für den Entwickler ein Gewinn. 

Hier kommt eine neue Topologie namens Trans-Inductor-Spannungsregler (TLVR) ins Spiel, die ein schnelles Einschwingverhalten, eine höhere Leistungsdichte und geringere Gesamtkosten bei Anwendungen mit plötzlichen Lastwechseln bietet. 

Die TLVR-Topologie besteht aus einer Primärseite, auf der jede gekoppelte Induktivität (WE-HCMD 1 und WE-HCMD 2 bis WE-HCMD n) in Bild 2 zwischen dem Schaltknoten jeder Phase und der Umrichterausgangsspannung angeschlossen ist. Eine Sekundärschleife ist mit der Gesamtzahl der Phasen durch die Sekundärspule der gekoppelten Drosseln und eine zusätzliche Kompensationsdrossel (LC) in Reihe geschaltet. 

Bild 2. Aufbau eines Trans-Inductor-Spannungsreglers (TLVR).

Die zusätzliche Sekundärwicklung ist der Hauptgrund dafür, dass die TLVR eine hohe Leistung beim transienten Ansprechen auf eine Lastanforderung erreichen können. Die Sekundärschleife verteilt den Strom dynamisch bei Lasttransienten. Die Kompensationsdrossel ermöglicht eine bessere Kontrolle des auf die Phasen verteilten Stroms. Sie summieren sich zu dem von der Last aufgenommenen Strom und reduzieren so den Spitzenwert des Ripplestroms. Dies führt zu einem schnelleren Einschwingverhalten und einem geringeren Spannungsabfall bei Lasttransienten im Vergleich zu einem mehrphasigen DC/DC-Wandler, wie in Bild 3. Dies erlaubt einen höheren Strombedarf und eine höhere Betriebsfrequenz in der Anwendung, wodurch die durch die Phasenverschränkung verursachten Verzögerungen reduziert und Spannungsüber- und -unterschwinger bei Lasttransienten minimiert werden. Infolgedessen wird die Spannungsregelung verbessert und die Belastung der Leistungsbauelemente verringert. 

Bild 3. Links: Verbessertes Einschwingverhalten mit der TLVR-Topologie. Rechts: Einschwingverhalten eines MV-Buck-Reglers.

Diese komplexe Topologie erfordert eine bestimmte Art von Leistungsinduktivität, die speziell für diese Aufgabe entwickelt wurde. WE-HCMD ist mit seinem gekoppelten Aufbau in der Lage, beträchtlich hohen Strömen standzuhalten und dabei einen stabilen Induktivitätsabfall und einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten, selbst wenn der Leistungsbedarf der Zielanwendung anspruchsvoll ist. WE-HCMD erreicht dies durch sein internes Aufbaukonzept, bei dem zwei Clips verwendet werden, um einen extrem niedrigen RDC-Wert zu erreichen, und bei dem ein hochpermeables Kernmaterial eingesetzt wird, um den Induktivitätswert bei kürzest möglicher Länge an Kupfer zu erhöhen. 

Bild 4. Aufbau der Leistungsinduktivität WE-HCMD von Würth Elektronik.

Mit der TLVR-Topologie kann der Entwickler für dieselbe Anwendung einen größeren Induktivitätswert und einen niedrigeren nominalen Ausgangskondensator verwenden. Dies führt im Vergleich zu einem mehrphasigen DC/DC-Wandler zu einem geringeren Ripplestrom, weniger Platz auf der Platine und geringeren Gesamtkosten für das Design. 

Der TLVR übertrifft mehrphasige Standard-Spannungsregler in Bezug auf Effizienz, Einschwingverhalten, Skalierbarkeit und Komponentenoptimierung und ist damit die beste Wahl für Hochleistungsanwendungen mit hohen Strömen. Während sich Standardregler nach wie vor für weniger anspruchsvolle Systeme eignen, positioniert sich der TLVR mit seinen verbesserten Eigenschaften als zukunftsweisende Lösung für die Herausforderungen moderner Stromversorgungen.