Modulare Wandlerkonzepte Vorteile modularer DC/DC-Wandler gegenüber diskreten Lösungen

Autor / Redakteur: Bianca Aichinger * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wenn in komplexen Schaltungen zahlreiche Spannungsversorgungen benötigt werden, hat sich als besonders effizientes Konzept das der verteilten Stromversorgung bewährt.

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Eine effiziente Lösung: das Konzept einer verteilten Stromversorgung – die Kombination aus zentralem Netzteil und einer Vielzahl lokaler Wandler-Module.
Eine effiziente Lösung: das Konzept einer verteilten Stromversorgung – die Kombination aus zentralem Netzteil und einer Vielzahl lokaler Wandler-Module.
(Bild: RECOM)

In modernen, komplexen Schaltungen gilt es eine Vielzahl an Mikrocontrollern, ICs, DSPs, FPGAs und viele andere Komponenten zu versorgen. Jede dieser Komponenten benötigt jedoch eine andere Versorgungsspannung. Als effizienteste Lösung hat sich hierfür das Konzept einer verteilten Stromversorgung etabliert – die Kombination aus „zentralem“ Netzteil und einer Vielzahl „lokaler“ Wandler-Module.

Kamen hier bislang bei großen Stückzahlen meist diskret aufgebaute Lösungen zum Einsatz, so wendet sich hier aufgrund sinkender Preise für fertig zertifizierte Module nun das Blatt. Passende Module gibt es mittlerweile für nahezu jede Applikation zu sehr attraktiven Preisen.

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Bessere Effizienz und hohe Zuverlässigkeit sprachen schon lange für den Einsatz modularer DC/DC-Wandler, allerdings standen bisher die Kosten dagegen, insbesondere bei hohen Stückzahlen. Doch während die Entwicklungskosten stetig steigen, sind die Preise für fertig zertifizierte Module in den letzten Jahren stark gesunken. Bezieht man dann noch Aspekte wie „Time to Market“ in die Betrachtung mit ein, sind modulare Wandler oft die günstigere Lösung.

Tücken bei der Eigenentwicklung von DC/DC Wandlern

Während es bei Schaltnetzteilen längst gängige Praxis ist, diese als fertige Module zuzukaufen, sieht dies bei DC/DC-Wandlern bislang noch anders aus. Dies hat im Wesentlichen zwei Gründe: Einerseits arbeiten DC/DC-Wandler am Eingang mit niedrigen Gleichspannungen und sind somit vergleichsweise leicht beherrschbar. Andererseits sind sie Bestandteil der Platine und es bietet sich an, die Bauteile im selben Arbeitsschritt mit zu bestücken.

Oberflächlich betrachtet scheint es keine große Kunst, Spannungswandler zu entwickeln. Doch diese Annahme stellt sich in der Praxis häufig als Trugschluss heraus, denn der Teufel steckt im Detail. Gerade bei DC/DC-Wandlern hat man bei der Eigenentwicklung häufig mit den Tücken der Analogtechnik zu kämpfen.

So können beispielsweise die Leiterbahnen zu unvorhersehbaren Kapazitäten oder Induktivitäten führen, die so im Schaltplan nicht zu finden sind. Auch spielt für die Performance des Trafos nicht nur die Wahl des Ferritmaterials eine wesentliche Rolle, sondern diese ist auch abhängig von dem Bereich der Hystereseschleife in welcher er betrieben wird.

Hohe Störpegel können die Folge sein und mehrfaches Re-Design ist dann keine Seltenheit. Dadurch kann sich eine geplante Markteinführung gleich mal um einige Monate verzögern. Wer hier auf fertige Module setzt, spart nicht nur Entwicklungszeit sondern reduziert auch das Risiko.

Wandler-Module bieten hohe Effizienz und Zuverlässigkeit

Ein weiterer Vorteil sind die hohe Effizienz und Zuverlässigkeit der 1000-fach erprobten Module. Innerhalb eines Designs kommen jede Menge Spannungswandler zum Einsatz, da ist der Entwickler gut beraten, die Effizienz der einzelnen Wandler im Auge zu behalten. Erreichen größere Wandler noch spielend einen Wirkungsgrad von über 90%, ist dies gerade bei DC/DC-Wandlern mit 1 W oder 2 W Leistung schon nicht mehr so einfach.

Jeder Wandler hat einen gewissen Eigenenergiebedarf, dieser fällt natürlich bei größeren Leistungen weniger ins Gewicht als bei den kleineren. Der Wirkungsgrad optimierter DC/DC-Wandler liegt demnach je nach Leistung und Topologie bei ungefähr 85% bis 92%. Hier sollte man sich aber nicht von absoluten Spitzenwerten unter Volllast blenden lassen, sondern auch einen Blick auf das Verhalten im niedrigen Lastbereich werfen.

Denn grundsätzlich erreichen Wandler ihren besten Wirkungsgrad in der Nähe ihrer Nennleistung. Mit sinkender Last sinkt auch deren Wirkungsgrad. Gut konzipierte Wandler hingegen bieten einen konstant hohen Wirkungsgrad, gerade auch im wichtigen mittleren und niedrigen Lastbereich.

Referenzmessungen zwischen dem neuen, kaum fingernagelgroßen 1-W-Wandler R1SX-0505 und einem Kundendesign mit vergleichbarer Leistung haben gravierende Unterschiede ergeben. Erreichte das Kundendesign bei Volllast noch einen akzeptablen Wirkungsgrad von 70%, so lag dieser bei halber Last nur noch bei gut 55%. Hingegen liegt der des Moduls selbst bei halber Last noch bei 72% und somit um 17 Prozentpunkte höher.

Die Verlustleistung des Kundendesigns war mit 409 mW mehr als doppelt so hoch wie die des R1SX mit 195 mW. Der Umstieg auf ein fertiges Modul senkt in diesem Fall nicht nur den Energiebedarf, sondern es reduziert auch die Wärmeentwicklung auf der Platine.

Weitere Vorteile modularer Wandler

Auch bei Baugröße und Leistungsdichte haben modulare Wandler klar die Nase vorn. In Zeiten, in denen Designs immer komplexer werden, ist ein kleinerer Footprint auf der Platine bares Geld wert. Meist beanspruchen die Module weniger als die Hälfte des Platzes, den eine diskrete Lösung brauchen würde. Ein wichtiger Aspekt, wenn Platz auf der Platine nicht beliebig zur Verfügung steht.

Aber auch in der Materialwirtschaft hat die Verwendung eines Modules klare Vorteile. Die für einen diskreten Aufbau erforderlichen Bauteile wie Ringkern-Trafos, Ferritkerne, Drosseln und Schalttransistoren sind ausnahmslos Spezialbauteile, die auf der Stückliste sonst nicht zu finden wären. Durch den Zukauf eines fertigen Moduls begrenzt sich dies auf nur ein Modul.

Last but not least erleichtert der Einsatz eines fertig zertifizierten Bauteils auch die Zertifizierung des Endproduktes. Um Überraschungen zu vermeiden, sollte dies frühzeitig hinterfragt werden. Als etablierter Hersteller geht RECOM noch einen großen Schritt weiter und bietet Kunden die Möglichkeit, ihre Applikation vor der endgültigen Zertifizierung im hauseigenen EMV-Labor prüfen zu lassen.

Diskrete Wandler sind nur auf den ersten Blick günstiger

Betrachtet man die reinen Bauteilkosten, so erscheint der Preis für diskret aufgebaute Wandler günstiger als der eines fertig zugekauften Moduls. Aber das Blatt wendet sich schnell, wenn auch die Zusatzkosten für Entwicklung, Test und Zertifizierung in die Rechnung mit einbezogen werden. Auch sind in den letzten Jahren die Preise für fertige modulare Lösungen stark gesunken.

Mittlerweile sind Wandler, wie die oben erwähnten Wandler der R1SX Familie, in Produktionsmengen bereits für weniger als 1,50 € zu haben. Die vollautomatisch gefertigten Module zeichnen sich durch ihre besonders kleine Bauform und ihre hohe Zuverlässigkeit aus. Sie können in einem weiten Betriebstemperaturbereich von –40 bis 100 °C unter Volllast betrieben werden und haben eine um 40fach höhere kapazitive Belastbarkeit als vergleichbare Produkte am Markt.

Erhältlich sind die Wandler mit Eingangsspannungen von 3,3 V oder 5 V und liefern wahlweise 3,3 V oder 5 V am Ausgang. Wahlweise sind sie mit einer Isolation von 1 kVDC oder 3 kVDC ausgestattet. Die Serie ist vollständig zertifiziert nach IEC/UL/EN62368-1 und UL60950-1 und mit 3 Jahren Garantie ausgestattet.

* Bianca Aichinger ist Produktmarketing Manager bei der RECOM Power GmbH in Gmunden, Österreich.

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