AC/DC Module: Optimaler Trade-off der Spezifikationen

AC-DC-Wandler sind besonders in den letzten Jahren zunehmend effizienter geworden, wodurch sie mit geringerer Oberfläche auskommen und dem allgemeinen Trend zur Miniaturisierung der Elektronik folgen. Speziell bei platinenmontierten AC-DC-Wandlern wurden damit manche Spezifikationen hinsichtlich Sicherheit und thermischer Ableitung problematisch, weil die Größe abnimmt und die Energiedichte steigt.

Für geringe Leistung werden gemeinhin Sperrwandler verwendet
Die Kosteneinsparung durch einen platinenmontierten AC-DC-Wandler führt naturgemäß über eine Topologie mit geringst möglicher Anzahl von Bauteilen. Unter etwa 10W wird das meist ein ‘Sperrwandler’ mit einem integrierten Leistungstransistor und Gleichrichter (oder exakter einer gekoppelten Drosselspule) mit einer einzelnen Diode und einem Kondensator für jeden Ausgang sein. Ein Steuer-Schaltkreis erfasst die Ausgangsspannung direkt (Primärseitenregelung) oder indirekt (Sekundärseitenregelung über einen Opto-Koppler) und gibt der Leistungsstufe Rückmeldung in Form einer Pulsweiten- oder Frequenz-Modulation bzw. manchmal beidem. Normalerweise gibt es zusätzliche Filterkomponenten zur Verringerung elektromagnetischer Störungen auf die gesetzlich vorgegebenen Werte und einen ‘Haupt-Kondensator’ zur Bereitstellung von Energie für die Überbrückungszeit bei Netzunterbrechungen, siehe Abbildung 1. Die elektrische ‘Barriere’ zwischen der netzseitig hohen Wechselspannung und dem Ausgang wird gebildet durch festes Isoliermaterial und/oder Vergussmasse oder einen entsprechenden Trennabstand durch Luft und über Oberflächen. Bauelemente, welche die Barriere überqueren, wie ein Transformator oder Opto-Koppler, werden so konstruiert, dass sie ausreichende Isolation gemäß Vorgaben internationaler Sicherheitsstandards gewährleisten.


Durch die Einfachheit von Sperrwandlern gibt es einen Nachteil: Interne Spannungen am Schaltelement können hoch sein, typisch 600V oder mehr, und einige Bauteile werden durch hohe Rippelströme beansprucht. Die Ausgangskondensatoren müssen beispielsweise mit Rippelströmen zurechtkommen, die 1,5 bis 2 mal so hoch wie der DC-Ausgangsstrom sein können. Diese am Kondensator-ESR freigesetzte Energie erhöht dessen Temperatur. Je nach Betriebsart können auch die Spitzen- und Effektivwerte des primären Schaltstroms überraschend groß sein, und da Schalter für hohe Spannungen relativ hohe On-Widerstände haben, wird der Wirkungsgrad verringert und Energie am Schalter und am Eingangskondensator verbraucht.

Es stehen reichlich Konstruktionsdaten in Büchern und IC-Anwendungshinweisen zu Verfügung, womit sich relativ übersichtlich die Komponentenwerte für einfache Sperrwandler auswählen lassen. Bei ausreichender Kenntnis der Regeln für Hochfrequenz-Layouts und den Bau von Transformatoren ist es nicht schwierig, ein funktionierendes Produkt zu bauen. Wenn die Größe nicht priorisiert wird, ist das Einhalten der Sicherheitsabstände einfach und es gibt genügend Platz für ausreichenden Luftstrom zur Wärmeableitung. Die Bauelemente können zudem groß und konservativ ausgelegt sein, um Funktion und elektromagnetische Verträglichkeit zu garantieren. Eine Ausführung der Sperrwandler-Topologie ist in nahezu jedem Handy-Ladegerät verbaut, womit klar ersichtlich wird, welche Miniaturisierung der Elektronik möglich ist, wobei diese Produkte nur über begrenzte Zeiträume in Temperaturbereichen, von etwa 0 – 40°C im Haushalt oder Büro arbeiten.

Wenn andererseits Platz und Kosten begrenzt sind oder der AC-DC-Wandler im Inneren von Geräten arbeiten muss, gibt es oft erhöhte Herausforderungen. Wenn die Anwendung Industriequalität erreichen muss, kann es für feuchte oder schmutzige Umgebungen zusätzliche Anforderungen an die Sicherheitsabstände geben und eine erhebliche Anhebung von zu tolerierenden transienten Überspannungen sowie erweiterte Temperaturbereiche von -40°C bis +75°C und mehr. Die Bereiche der Eingangsspannung können ebenfalls erweitert sein und müssen fallweise Phase zu Phase Beschaltungen abdecken. Ebenso können die Erwartungen an Zuverlässigkeit und Lebensdauer im Vergleich zu kommerziellen Produkten sehr hoch sein. Außerdem kann ein Betrieb in erweiterter Seehöhe notwendig sein, der sich auf die Sicherheitsabstände auswirkt.

Praktische Beschränkungen der Konstruktion
Eine praktische Grenze der Miniaturisierung sind die Vorgaben an minimale Sicherheitsabstände gemäß Standards wie EN 62368-1 für IT/Medien und EN 60335-1 für Haushaltsgeräte, die mindestens 9 mm Abstand zwischen Eingang und Ausgang sowie 4 mm Abstand von Oberflächen bei Systemen mit 250V AC erfordern. Das gilt für den schlimmsten Verschmutzungsgrad und Materialgruppen und kann gelockert werden durch gekapselte Geräte, beschichtete Platinen und durch Werkstoffe mit hoher Vergleichszahl der Kriechwegbildung (CTI). Dies veranschaulicht, dass ‘sichere’ Kriechstrecken praktisch nicht in offenen Wandlern umzusetzen sind, die auf nur etwa 25 mm Länge limitiert sind. Hier ist eine sorgfältige Konstruktion nötig, um Zugeständnisse der Spezifikation voll zu nutzen und die regulatorisch geforderten minimalen Abstände durch Einschnitte in der Leiterplatte oder Separatoren wie Vergussmaterial oder Kappen über kritischen Bauelementen zu gewährleisten.

Die Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken sind auch im Transformator problematisch. Große Transformatoren für hohe Leistungsübertragung können aus üblichem Lackdraht innerhalb isolierender Band ‘Begrenzungen’ gewickelt werden und damit typisch 6 mm Kriechstrecke zwischen primären und sekundären Wicklungen erreichen. Bei geringer Leistung, wo die Wicklungsbreite einer Spule nur ein paar Millimeter betragen kann, geht das offensichtlich nicht. Eine Lösung ist die Verwendung von ‘dreifach isoliertem Draht’ (TIW) mit erhöhter Sicherheitseinstufung, der eine überlappende spiralförmige Isolationshülle hat und an jedem Punkt mindestens drei Schichten garantiert. Allerdings ist die Bildung einer Abschirmung elektromagnetischer Störungen noch ein Problem, wobei einige Konstruktionen eine halbe Wicklung des TIW-Drahts verwenden, bei dem ein Ende nicht abgeschlossen aber sorgfältig isoliert ist.

Auch der Speicherkondensator am Eingang ist ein Bauelement, das sich einer Miniaturisierung widersetzt. Er sorgt für die Glättung der DC-Busspannung und liefert die Energie zur ‘Überbrückung’ während der Abschaltzyklen am Sinus der Netzspannung. Eine typische professionelle Anforderung ist es, den Betrieb über 20ms (ein Zyklus der Netzspannung bei 50Hz) von der Nenneingangsspannung von 230V AC aufrechtzuerhalten. Die am Kondensator anliegende Spannung bei beispielsweise gleichgerichteten 115V AC beträgt im Mittel etwa 150V mit um die 20V Welligkeit durch die Netzfrequenz. Wenn die Versorgung unterbrochen wird, entlädt sich der Kondensator und der Wandler muss mit der sinkenden Spannung noch 20ms arbeiten. Praktisch kann der Wandler nach unten bis auf etwa 70V arbeiten. Für einen Wandler mit 75% Wirkungsgrad mit 5W Ausgang lässt sich der Energieverlust im Kondensator aus der in 20ms benötigten Energie berechnen:


Das würde einen Kondensator mit 18µF erfordern, der ein Spannungsrating von 400V bzw. 450V für die höchste AC-Eingangsspannung haben muss. Die kleinste Ausführung ist ein Aluminium-Elektrolytkondensator, und selbst der hat etwa 3 cm3 oder größer, wenn eine Type für hohe Temperaturen gewählt wird. Eine für viele Sperrwandler anwendbare ‘Daumenregel’ zur 20ms Überbrückung ist die Anforderung von mindestens 2µF/Watt für einen weiten Eingangsbereich bis 90V und 1µF/Watt bei ausschließlichem Betrieb mit 230V Nennspannung.

Platinenmontierte AC-DC-Wandler können leitungsgeführte elektromagnetische Störungen fast wie Hochleistungsprodukte verursachen, weil sich Gleichtaktstörungen nicht direkt mit der Leistung skalieren – sie entstehen hauptsächlich durch hohe interne Schaltfrequenzen mit zunehmendem dV/dt gekoppelt mit Streukapazitäten, die in jeder Schaltung auftreten. Einfache Konstruktionen für geringe Leistung können deshalb EMV-Filter zur Einhaltung der Emissionsnormen erfordern, die größer als der Wandler selbst sind. Konstrukteure von Steuerschaltungen gehen das Problem durch eine Steuerung von dV/dt mit resonanten oder semi-resonanten Topologien und Techniken wie ‘Frequenz-Dithering’ an, welche die durchschnittlich auftretenden elektromagnetischen Störungen in der Bandbreite der Standard-Messempfänger verringern. Platinenmontierte AC-DC-Wandler sind häufig als ‘Class II’ Geräte unter Verzicht auf eine primäre Erdungsverbindung ausgeführt, wobei ihre Ausgänge je nach Anwendung fallweise geerdet werden und somit Schleifen für leitungsgeführte Gleichtaktstörungen bieten. ‘Y’-Kondensatoren von Primär- zur Sekundärseite können Hochfrequenz-Störungen verringern, aber lassen sich nur sehr begrenzt einsetzen, wenn nicht geerdet wird oder gefährliche AC ‘Berührungsströme’ durch den Benutzer fließen könnten. Einige Standards erfordern sehr geringe Kapazitätswerte und zwei in Reihe geschaltete Y-Kondensatoren, falls ein Bauelement ausfällt (z.B: Haushaltsstandards EN 60335). Der Einbau von zwei Kondensatoren in Reihe mit jeweils voller Sicherheits-Kriechstrecke zwischen den Pins in einem Miniaturgehäuse ist oft nicht möglich und es wird mitunter dem Anwender überlassen, diese extern anzuschließen, um die EMV-Normen einzuhalten.

Eine zunehmend übliche Anwendung für AC-DC-Wandler geringer Leistung ist die Versorgung aus Quellen mit nominal 277V AC und Spitze 305V. Das ist die Spannung von Leitung zum Nullleiter in dreiphasigen Systemen, die in den USA häufig in großen Gebäuden verwendet werden. Die höhere Spannung erfordert auch größere Abstände und spannungsmäßig höher eingestufte Bauelemente als in Systemen mit 230V AC und auch kräftigere Bauelemente; der Eingangskondensator muss nun für mindestens 450V DC eingestuft sein. Bei kleinen Wandlern verschärft dies das Platzproblem. Noch härtere Anforderungen ergeben sich beim Betrieb direkt von 480V AC, (525V AC Spitze), wenn dasselbe Netzteil bis hinunter auf 85V AC zugelassen werden muss. Die hohe Überspannungsfestigkeit wie OVC III und der extreme Eingangsbereich erhöhen die Komplexität der Komponentenbeanspruchungen und Sicherheitsabstände vor allem dann, wenn geringe Größe, niedrige Kosten und hoher Wirkungsgrad Bestandteil der Spezifikationen sind.

Ein manchmal übersehener Aspekt ist die Betriebshöhenlage; Standardtabellen für Luftstrecken in Stromwandlern gelten typisch für bis zu 2000m. In größeren Betriebshöhen nehmen diese erheblich zu. Gemäß EN 62368-1 (Abbildung 3) werden die Luftstrecken für 5000m mit einem Faktor 1,48 multipliziert (das mag extrem erscheinen, aber acht Hauptstädte liegen weltweit höher als 2000m). Außerdem befinden sich viele Lungenkliniken in großer Höhenlage. Die Berücksichtigung von Höhenlagen über 2000m ist deshalb üblich und macht die Konstruktion in kleinem Bauraum schwieriger.


AC-DC-Wandler für Platinenmontage werden in derselben thermischen Umgebung wie auf der Leiterplatte angrenzende Bauelemente arbeiten, normalerweise ohne spezielle Kühlkörper. Ein hoher Wirkungsgrad ist essenziell, wenn ein wichtiger Teil der Produktgestaltung die Steuerung der inneren Temperaturen ist, so dass die maximale Leistung bei höchst möglichen Umgebungstemperaturen über entsprechende Lebensdauer verfügbar ist. Mit verringerter Gehäusegröße wird auch die wirksame Oberfläche zur Wärmeableitung kleiner, was als Faktor der Temperaturerhöhung an einzelnen Komponenten hinzu kommt, die durch wärmeleitende Vergussmasse zu lösen ist.

Modulare Lösungen
RECOM [1] ist ein Hersteller, der sich der Herausforderung gestellt hat, kostengünstige, platinenmontierte AC-DC-Wandler mit Industrie-Spezifikationen in kleinen Abmessungen zu konstruieren. Die Palette reicht von 1W bis 30W, wobei alle Produkte von mindestens 85V AC bis 264V AC arbeiten. Einige erreichen auch 305V AC und ein spezielles 5W Produkt ist zugelassen bis zu 525V AC, (RAC05-K/480). Die Bauteile sind für den Betrieb bis zu 5000m Höhenlage sowie Betriebstemperaturen von -40°C und bis zu +90°C mit Derating ausgelegt. Die Größen reichen von branchenführenden 25,4mm x 25,4mm x 16mm für das kompakteste 5W-Modul bis zu einem 20W Modul mit nur 25,4mm x 50,8mm x 23mm mit bis zu 90% Wirkungsgrad. Eine Besonderheit sind die Module für 3W, 18W und 30W in runden Gehäusen für die Integration in standardmäßigen, flächenbündigen Wandeinbau, wobei das 3W-Modul eine extrem flache Bauhöhe von 11mm aufweist. Alle Teile der Baureihe haben die Sicherheitszertifizierungen EN 60950 oder EN 62368 ITE, die meisten haben ebenso die Haushaltszertifizierung EN 60335, während die runden Module für 18W und 30W noch zusätzlich über Medizinzertifizierung und über Kabelanschlüsse verfügen. Abbildung 4 fasst die Baureihe zusammen.


Literaturverweise [1] RECOM: www.recom-power.com

RECOM: We Power your Products