Isolierte DC/DC-Wandler

Zehn Gründe, auf den Eigenbau des DC/DC-Wandlers zu verzichten

| Autor / Redakteur: Reinhard Zimmermann * / Gerd Kucera

Prinzipschaltbild eines isolierten DC/DC-Wandlers. Das Schaltungskonzept ist im Prinzip recht einfach. Oder doch nicht?
Prinzipschaltbild eines isolierten DC/DC-Wandlers. Das Schaltungskonzept ist im Prinzip recht einfach. Oder doch nicht? (Bild: RECOM)

Während Personalnot bei Ingenieuren die Kosten diskreter Eigenentwicklungen in die Höhe treibt, sinken die Preise für fertige Stromversorgungsmodule. Und es gibt weitere Argumente gegen den Eigenbau von DC/DC-Wandlern.

Modulare Stromversorgungen erfreuen sich überproportionalen Wachstums. Während die Personalnot bei Entwicklungsingenieuren die Kosten diskreter Eigenentwicklungen in die Höhe treibt, sinken die Preise für fertige Module. Auch Aspekte wie Time to Market, höhere Effizienz, einfachere Zertifizierung und schlicht die Erfahrung von Spezialisten sprechen für den Einsatz modularer Lösungen. Gemäß einer internen Studie des Wandler-Experten RECOM, wird sich der Anteil modularer Wandler in den kommenden vier Jahren verdreifachen.

Das Schaltungskonzept isolierter DC/DC-Wandler ist im Prinzip recht einfach. Zwei FETs auf der Primärseite zerhacken die Gleichspannung am Eingang mit einer Frequenz von einigen 100 kHz. Ein Trafo sorgt für die Isolation. Sein Windungsverhältnis N1/N2 bestimmt die Ausgangsspannung. Die Sekundärseite wird gleichgerichtet und geglättet. Zahlreiche im Internet verfügbare Entwicklungstools suggerieren, dass die Dimensionierung recht simpel ist. Einfach die gewünschten Werte in ein Programm eingeben und fertig ist der Prototyp.

Soweit jedenfalls in der Theorie. Die Praxis sieht etwas anders aus. Der Entwickler kämpft permanent mit dem Grundprinzip der Analogtechnik, wonach die Dinge weder schwarz noch weiß sind. Leiterbahnen (im Schaltplan schlicht schwarze Linien ohne elektrische Relevanz) werden zu Kapazitäten und Induktivitäten, die so „nicht im Programm“ stehen.

Dies hat Konsequenzen für das EMV-Verhalten der Schaltung und damit für die Zertifizierung des Endproduktes. Nicht selten sind mehrere Re-Designs erforderlich, bis die geforderten Grenzwerte sicher erreicht werden. Auch der Trafo hat seine Tücken. Seine Funktionstüchtigkeit hängt vom Ferritmaterial des Kerns ab und davon, in welchem Bereich der Hysteresekurve er betrieben wird. Fährt er zu weit in Richtung Sättigung, wird er zu warm und sein magnetisches Verhalten verschlechtert sich.

Auch dies ist nicht schwarz/weiß und zudem rechnerisch schwer in den Griff zu bekommen. Für einen optimalen DC/DC-Wandler mit hohem Wirkungsrad und niedrigen Störpegeln ist eine Menge Erfahrung notwendig. Wer sie hat, kann mit selbst entwickelten, diskret aufgebauten Wandlern vermutlich etwas Geld sparen – insbesondere bei großen Stückzahlen. Aber auch Eigenentwicklungen gibt es nicht zum Nulltarif.

Besonders zeitraubend ist die Optimierung des Designs

Mehr denn je hängt der kommerzielle Erfolg elektronischer Produkte davon ab, wie frühzeitig sie auf den Markt sind. Wer auf modulare Lösungen setzt, spart definitiv Zeit und reduziert zudem die Risiken. Fällt ein Produkt nämlich bei der Zertifizierung durch, weil ein diskret aufgebauter Spannungswandler plötzlich doch mehr Störungen liefert als erlaubt, liegt die Verzögerung eher im Bereich von Monaten als von Wochen.

Selbst als Spezialist mit der Erfahrung von vielen Millionen produzierten Wandlern setzt RECOM für die Entwicklung einer neuen Produkt-Familie mehrere Monate an. Besonders zeitraubend ist dabei die Optimierung des Designs (das Herauskitzeln der letzten Performance-Prozente), eine Arbeit, die bei der Entwicklung diskreter Lösungen fast zwangsläufig zu kurz kommt.

Auf den maximalen Wirkungsgrad getrimmt

Das Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen Last und Wirkungsgrad eines REC15-Wandlers
Das Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen Last und Wirkungsgrad eines REC15-Wandlers (Bild: Recom)

Seit niedriger Energieverbrauch zum Kaufargument geworden ist, kämpfen Entwickler mit immer knapper werdenden Energiebudgets. Dabei müssen sie neben Prozessor und Grafikchip auch die vielen Spannungswandler im Auge behalten, die innerhalb eines Designs zum Einsatz kommen.

Ein Beispiel aus der Praxis: In einer Steuerung liefern acht diskret aufgebaute 15-W-Wandler Ausgangsspannung von jeweils plus oder minus 5 V. Ihr Wirkungsgrad liegt bei rund 75%. Die Nutzleistung von 15 W wird mit einem Leistungsverlust von 5 W pro Wandler erkauft – in Summe also ein Verlust von 40 W!

Ganz anders sieht die Rechnung aus, wenn stattdessen ein modularer Wandler zum Einsatz kommt, der auf maximale Effizienz getrimmt ist. RECOMs neuerer REC15 beispielsweise erreicht in dieser Applikation einen Wirkungsgrad von 87%, verliert also nur 2,25 W pro Modul, das sind 55% weniger als die diskrete Lösung Marke Eigenbau.

Die zuvor genannten Werte für den Wirkungsgrad gelten allerdings nur für Wandler, die mit annähernd voller Last betrieben werden. Mit sinkender Auslastung sinkt auch die Effizienz, bis sie im Leerlauf gegen Null tendiert. Über das, was unterwegs passiert, gibt das Diagramm (Bild 3) präzise Aufschluss. Selbst bei nur 30% Last bringt es ein REC15 noch auf einen hervorragenden Wert von über 80% Effizienz. Bei der zuvor genannten, diskret aufgebauten Lösung waren es nur wenig mehr als 50%.

Hohe Temperaturen werden bei DC/DC-Wandlern wichtiger

Allerdings geht es beim Thema Effizienz nicht nur um das Energie sparen, sondern auch um Erwärmung und die zulässige Betriebstemperatur des gesamten Designs. 22 W weniger Leistungsverlust im genannten Beispiel bedeuten niedrigere Temperaturen innerhalb der Steuerung und reduzieren den Aufwand für die Kühlung, z.B. für den Lüfter. Und den möchte man nach Möglichkeit aus dem Design eliminieren, da er nicht nur Energie verbraucht, sondern auch Lärm macht und mit der Luft auch Schmutz ansaugt.

Nicht zuletzt deshalb steigt der Bedarf an Wandlern, deren zulässige Betriebstemperaturen Werte von +65 °C und mehr erreichen. Mit der RPP-Familie liefert Recom z.B. Leistungswandler bis 50 W, deren zulässige Umgebungstemperatur +100 °C erreichen darf, ohne das sonst übliche Derating. Aber auch auf der Minus-Seite steigen die Erwartungen: -40 °C sind heute fast schon die Regel; die zuvor genannten Wandler der RPP-Familie schaffen auf Wunsch sogar –55 °C.

Der Platzbedarf spricht für eine modulare Lösung

Der Trend zur Miniaturisierung ist ungebrochen. Hier zeigt sich ein weiterer, wichtiger Vorteil modularer Spannungswandler. Ihr Fußabdruck auf der Platine ist weit kleiner als er bei diskreten Lösungen sein könnte. Allein dadurch rechtfertigen sich oft schon die höheren Kosten.

Hinzu kommt, dass vergossene Wandler unanfälliger sind gegen Umwelteinflüsse einschließlich Stoß und Vibration. Für den Test und die Optimierung seiner Wandler betreibt RECOM in Gmunden/Österreich ein gut ausgestattetes Umweltlabor, in dem bereits Prototypen in einem frühen Stadium so genannten HALT-Tests unterzogen werden, in denen das Langzeitverhalten eines Moduls unter erschwerten Bedingen simuliert wird. Entsprechend hoch ist die Lebenserwartung der Wandler. Kein Wunder also, wenn DC/DC-Wandler generell mit drei Jahren Gewährleistung ausgeliefert werden.

Plagiate: Unterschied zwischen Schein und Wirklichkeit

Sorgen bereiten allerdings immer wieder Plagiate, vermutlich chinesischen Ursprungs, die angesichts steigender Lieferzeiten über dubiose Kanäle auf den Markt kommen. Offenbar ist es zu verlockend, äußerlich nahezu gleich aussehende Gehäuse mit gefälschten Typenbezeichnungen, Logos und Prüfzeichen zu bedrucken und auf diese Weise minderwertige Wandler unter Preis in den Handel zu bringen. Der Betrogene ist in diesem Fall der Kunde, der auf in gutem Glauben erworbenen Billigangebote hereingefallen ist, für die es keine Garantieansprüche gibt.

Bild 5: Die Röntgenaufnahme zeigt gravierende konstruktive Unterschiede zwischen dem Trafo eines Recom REC5 (links) und eines Plagiats
Bild 5: Die Röntgenaufnahme zeigt gravierende konstruktive Unterschiede zwischen dem Trafo eines Recom REC5 (links) und eines Plagiats (Bild: Recom)

Ein deutscher Maschinenbauer musste in den vergangenen 12 Monaten einen immensen Aufwand an Garantieleistungen erbringen, um gefälschte Exemplare des RECOM REC5 zu ersetzen und auszutauschen. Wie das Röntgenauge im Nachhinein offenbarte, waren Primär- und Sekundärwicklung des Trafos einfach übereinander gewickelt worden, ohne Rücksicht auf die spezifizierten Isolationswerte.

Obwohl das Plagiat äußerlich kaum vom Original zu unterscheiden war, erfüllte der innere Aufbau nicht die mindesten Qualitätsansprüche und führte schon nach wenigen Monaten im Betrieb serienweise zu Ausfällen. Es empfiehlt sich also, bei besonders günstig erscheinenden Angeboten genauer hinzusehen.

Vorsicht gefälschte Halbleiter: Das schmutzige Geschäft mit Plagiaten

Vorsicht gefälschte Halbleiter: Das schmutzige Geschäft mit Plagiaten

29.06.18 - In fast allen technischen Produkten steckt Elektronik. Was viele – auch Hersteller – nicht wissen: Die verbauten Halbleiter sind oft gefälscht. Mit seinem Anti-Counterfeiting-Programm geht Infineon gemeinsam mit anderen Chipherstellern gezielt gegen Betrüger vor. Wir zeigen, worauf Anwender achten sollten. lesen

* * Reinhard Zimmermann ist Produkt Marketing Manager bei RECOM Electronic GmbH, Dreieich.

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Was bitte ist ein Flohschaltregler?  lesen
posted am 12.09.2018 um 12:32 von Unregistriert

Hallo, wo gibt es einen Flohschaltregler der aus 5-6,5 Volt DC 150 Volt DC 10mA macht LG...  lesen
posted am 11.09.2018 um 00:57 von Unregistriert

röntgenbild sehr gut  lesen
posted am 16.02.2012 um 12:48 von Unregistriert


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