Maximale Leistung bei DC/DC-Wandlern erreichen
20.04.2020
Modulare DC/DC-Wandler verfügen heute über eine deutlich höhere Leistungsdichte – Kleine, isolierte DC/DC Wandlermodule werden seit Jahrzehnten verwendet, um den Spannungsbedarf einer Last effizient an die verfügbare Stromschiene anzupassen. Darüber hinaus setzt man sie zur Bereitstellung von Hilfsspannungen mit geringer Leistung ein (z. B. eine negative Schiene für eine analoge Schnittstelle), zur Sicherheitstrennung oder einfach nur, um Erdschleifen bei besonders empfindlichen Schaltungsbereichen zu unterbrechen.
Als Module waren SIP-Versionen (SIP = Single In-Line Pins mit Durchgangsbohrung) sehr beliebt. Die früheste Version hatte eine ungeregelte Ausgangsleistung von etwa einem Watt in einem kompakten SIP-7-Format, was für viele der genannten Anwendungen völlig ausreicht. Im Laufe der Jahre hat die Leistungsdichte stetig zugenommen, sodass ungeregelte 3 Watt jetzt auch im kleineren SIP-4-Format erhältlich sind (Abbildung 1).
Abbildung 1: Steigerung der Leistungsdichte bei ungeregelten und geregelten DC/DC Wandlern ab den 90er-Jahren (links) bis heute
Bald darauf waren vollständig geregelte Bauteile erhältlich, zunächst mit einer selbstoszillierenden Sperrschaltung mit variabler Frequenz, um eine minimale Anzahl von Bauteilen zu ermöglichen. Die neuesten Versionen sind dagegen typischerweise IC-basiert mit fester Frequenz für einen optimalen Wirkungsgrad über einen größeren Lastbereich. Dadurch werden eine hohe Leistungsdichte, ein 4:1-Eingangsbereich und Funktionen wie Ausgangstrimmung und EIN/AUS-Steuerung möglich.
Zu Beginn waren 2 Watt in einem DIP24-Paket die Norm, doch schon bald kamen SIP7- und SIP8-Versionen mit 2 Watt, 3 Watt und 6 Watt auf den Markt. Mittlerweile wurde die 12-W-Marke erreicht. Aufgrund der Leistungssteigerung werden die Module nun nicht mehr nur als Hilfsstromversorgung eingesetzt, sondern zunehmend für die Versorgung ganzer Subsysteme und sogar ganzer Produkte.
Als wichtigste Leistungsumwandlungsstufe erlangt die zertifizierte Isolierung eine immer größere Bedeutung, und da SIP7- oder SIP8-Gehäuse praktisch sinnvolle Kriech- und Trennabstände zwischen Eingangs- und Ausgangspins ermöglichen, geht der Trend dahin, die Leistung dieser Gehäuse zu erhöhen, anstatt die Modulgröße bei gleicher Leistung zu verkleinern.
Neue Konstruktionstechniken ermöglichen höhere Leistungsdichte ohne Derating
Da immer mehr SIP8-DC/DC-Module mit verbesserter Leistungsdichte eingeführt werden, greifen einige Anbieter zu optimistischen Behauptungen, um scheinbar mit den Branchenführern mitzuhalten. Die vollmundig beworbene Leistung ist jedoch oft nur mit hohem Derating verfügbar. So kann z. B. ein Bauteil mit 9 Watt Nennleistung durchaus volle Power liefern, wenn die Gehäusetemperatur auf einer unrealistisch niedrigen Temperatur gehalten wird, wenn die Auslastung niedrig ist oder wenn erhebliche forcierte Luftkühlung eingesetzt wird. Die tatsächlich nutzbare Leistung kann deutlich geringer ausfallen. Das 6-W-Modul von RECOM liefert beispielsweise bei +75°C Umgebungstemperatur und Konvektionskühlung mehr Leistung als das Konkurrenzprodukt mit einer Nennleistung von 9 Watt.
Solche Diskrepanzen – wenn also ein Bauteil mit geringerer Nennleistung unter realen Bedingungen mehr Nutzleistung liefert als ein Teil mit höherer Nennleistung – sind ein Anzeichen dafür, dass die bestehende Topologie ihre Grenzen erreicht hat. Unter Umständen lässt sich die Leistungsdichte durch den Einsatz kostspieliger Komponenten weiter erhöhen, allerdings ist dazu eine radikale Umgestaltung erforderlich, die etwa darin besteht, ineffiziente Spulentransformatorenkonstruktionen wegzulassen oder auf ein vollständig planares Design zurückzugreifen. Dieser Ansatz ist beim neuen RS12-Z von RECOM [1] das Mittel der Wahl.
Bei Planartransformatoren werden Leiterbahnen für die Wicklungen verwendet, was bei mehrlagigen Leiterplatten technisch anspruchsvoll ist und oft zu blinden und verdeckten Durchkontaktierungen führt. Darüber hinaus muss der PCB-Stapelaufbau durchdacht gestaltet sein, um den garantierten Isolationsgrad zu erreichen (3kVDC beim RS12-Z). Schließlich ist für jede Eingangs-/Ausgangsspannungskombination ein anderes PCB-Layout mit unterschiedlichen Windungsverhältnissen erforderlich, was den Herstellungsprozess verkompliziert. Planartransformatoren erleichtern andererseits jedoch den Montageprozess und zeichnen sich im Vergleich zu herkömmlichen drahtgewickelten Transformatoren durch eine hohe Wiederholbarkeit bei der Leistung aus. Kombiniert mit Effizienzverbesserungen ermöglicht das fortschrittliche Wärmemanagement bei 75 °C Umgebungstemperatur die volle Ausgangsleistung von 12 Watt über dem 4:1-Eingangsbereich. Bei diesem Produkt wird die im Wandler erzeugte Wärme mit geringem Wärmewiderstand effizient auf das Metallgehäuse übertragen. Um zusätzlich Wärme in die Leiterplatte abzuleiten, werden verzinnte Gehäuselaschen eingesetzt.
Innovatives Design mit zusätzlichen Funktionen
Ein weiterer Vorteil bei fortschrittlichen IC-basierten Wandlerschaltungen ist die erweiterte Funktionalität, mit der einige wichtige Probleme gelöst werden können. Als Hauptspannungsquelle des Subsystems oder des Produkts sollte der Wandler auch dann ordnungsgemäß funktionieren, wenn die Eingangsversorgung abfällt, etwa bei einer sich langsam entladenden Batterie. Geregelte Schaltwandler nehmen für konstante Lasten konstante Leistung aus ihrem Eingang auf, sodass der Strom ansteigt, wenn die Eingangsspannung abfällt. Wenn der Wandler dauerhaft unterhalb der minimalen Nenneingangsspannung arbeitet, kann der erhöhte Strom schädlich sein, sodass eine Unterspannungs-Sperrfunktion erforderlich ist, die in vielen Steuer-ICs eingebaut ist. Die Funktion stellt auch sicher, dass der Wandlerausgang bei einer eingestellten Mindesteingangsspannung sauber abschaltet.
Ein weiteres Merkmal von Schaltungen, wie sie beim RS12-Z verwendet werden, ist ein „Steuerpin“ oder eine EIN/AUS-Funktion. Sie können dazu verwendet werden, den Wandler, wenn er als Eingangsversorgung eingesetzt wird, in einen „Schlafmodus“ zu versetzen, um den Stromverbrauch gering zu halten und die die Batterielebensdauer zu verlängern. Die Funktion kann auch genutzt werden, um den Wandlerausgang mit Hilfe anderer Stromschienen verzögert zu steuern oder zu „sequenzieren“. Die Steuerung kann rein „primärseitig“ erfolgen oder über Optokoppler von isolierten Ausgängen abgeleitet werden. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für eine Wandler-Anordnung, bei der DC/DC 2 aktiviert wird, nachdem DC/DC 1 mit einer festen, durch R1/C1 festgelegten Verzögerung gespeist wird, DC/DC 3 jedoch nur aktiviert wird, wenn der DC/DC 2-Ausgang innerhalb der Toleranz liegt.
Abbildung 2: Sequenzschema DC/DC Wandler
Trimmpins können mehrere Funktionen haben
Eine Trimmfunktion ist nützlich, wenn man einen DC/DC-Ausgang anpassen will, um externe Spannungsabfälle zu kompensieren. Eine typische Anwendung wäre die Parallelschaltung von Wandlern zu Redundanzzwecken, bei der Ausgangsseriendioden eingesetzt werden, um zu verhindern, dass sich der Ausfall eines DC/DC-Wandlers auf den anderen auswirkt (siehe Beispiel in Abbildung 3). In diesem Fall kann bei Schottky-Dioden jeder Ausgang über R1 und R2 um etwa 0,3 V getrimmt werden, sodass die aufgetrimmte Spannung der korrekten Nennspannung entspricht, in diesem Fall 3,3 V. Es ist zu beachten, dass Wandler typischerweise für eine maximale Ausgangsleistung ausgelegt sind, sodass der Nennstrom reduziert werden sollte, wenn der Ausgang nach oben getrimmt wird.
Abbildung 3: Aufgetrimmte DC/DC-Ausgänge zur Kompensation von Diodenabfällen in redundanter Konfiguration
Ein Trimmpin kann auch über eine externe Spannungsquelle angesteuert werden, die weitere Funktionen ermöglicht. Ein Beispiel ist, wenn eine Stromschiene in einem ATE-System in der Produktion benötigt wird, das im Sinne einer „Margining“-Funktion zwischen den zulässigen Toleranzen wechselt, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwankungen der Spannungsversorgung zu testen. Die Schaltung in Abbildung 4 ist so aufgebaut. Sie besteht aus einem Sinuswellen-Oszillator IC1, der an den Trimmpin eines RECOM RS12-Z DC/DC Wandlers mit eingestelltem DC-Offset gekoppelt ist, um die Nennspannung des Trimmpins zu erreichen. VR1 steuert die Amplitude der Variation, IC2 summiert diese mit einem negativen festen Offset, der einen positiven Offset auf dem Trimmpin mit einer Sinuskurve überlagert.
Abbildung 4: Trimmpin als zyklischer Begrenzer für Stromschiene
Bei anderen externen Schaltungen könnte der Trimmpin auch verwendet werden, um eine Fernabtastfunktion zu realisieren oder die Leistungsaufteilung zu steuern, wenn der Strom außerhalb der Wandler abgetastet wird.
DC/DC-EMI-Filter sollten kompakt sein
Bei Verwendung als Hauptstromquelle für Geräte mit geringer Leistung wird ein DC/DC Wandler selbst von einer externen Versorgung gespeist und muss möglicherweise bestimmte EMV-Spezifikationen erfüllen, typischerweise EN 55032, entweder Grenzwerte der Klasse A oder der Klasse B. Dazu benötigen besonders rauschbehaftete oder variable Frequenzwandler gegebenenfalls zusätzliche Filterkomponenten, die mehr Platz auf der Leiterplatte einnehmen können als der Wandler selbst.
Typische Filterschaltungen, die es den RECOM RS12-Z Wandlern ermöglichen, beide Grenzen einzuhalten, sind in Abbildung 5 dargestellt. In diesem Fall handelt es sich um eine Kombination aus kleinen Elektrolyt- und Keramikkondensatoren und niederwertigen Induktoren.
Abbildung 5: Typische DC/DC-EMI-Filter zur Einhaltung von EN 55032 Klasse A und B
Modulare DC/DC-Wandler haben sich seit ihrer Einführung erheblich weiterentwickelt. Leistungsdichte und Funktionalität haben sich erhöht, sodass die Wandler mittlerweile als Präzisionsstromquellen für moderne elektronische Systeme verwendet werden können. Der RECOM RS12-Z ist ein hervorragendes Beispiel für diese Entwicklung. Sein innovatives Design ist für Eingänge mit 12, 24 oder 48V DC Nennspannung mit einer Reihe von Ausgängen geeignet und erreicht auch bei 75°C Umgebungstemperatur volle 12 Watt Leistung.
Quellen:
[1] Link to RECOM RS12-Z data sheet: www.recom-power.com /pdf/Econoline/RS12.pdf
RECOM: We Power your Products
Abbildung 1: Steigerung der Leistungsdichte bei ungeregelten und geregelten DC/DC Wandlern ab den 90er-Jahren (links) bis heute
Bald darauf waren vollständig geregelte Bauteile erhältlich, zunächst mit einer selbstoszillierenden Sperrschaltung mit variabler Frequenz, um eine minimale Anzahl von Bauteilen zu ermöglichen. Die neuesten Versionen sind dagegen typischerweise IC-basiert mit fester Frequenz für einen optimalen Wirkungsgrad über einen größeren Lastbereich. Dadurch werden eine hohe Leistungsdichte, ein 4:1-Eingangsbereich und Funktionen wie Ausgangstrimmung und EIN/AUS-Steuerung möglich.
Zu Beginn waren 2 Watt in einem DIP24-Paket die Norm, doch schon bald kamen SIP7- und SIP8-Versionen mit 2 Watt, 3 Watt und 6 Watt auf den Markt. Mittlerweile wurde die 12-W-Marke erreicht. Aufgrund der Leistungssteigerung werden die Module nun nicht mehr nur als Hilfsstromversorgung eingesetzt, sondern zunehmend für die Versorgung ganzer Subsysteme und sogar ganzer Produkte.
Als wichtigste Leistungsumwandlungsstufe erlangt die zertifizierte Isolierung eine immer größere Bedeutung, und da SIP7- oder SIP8-Gehäuse praktisch sinnvolle Kriech- und Trennabstände zwischen Eingangs- und Ausgangspins ermöglichen, geht der Trend dahin, die Leistung dieser Gehäuse zu erhöhen, anstatt die Modulgröße bei gleicher Leistung zu verkleinern.
Neue Konstruktionstechniken ermöglichen höhere Leistungsdichte ohne Derating
Da immer mehr SIP8-DC/DC-Module mit verbesserter Leistungsdichte eingeführt werden, greifen einige Anbieter zu optimistischen Behauptungen, um scheinbar mit den Branchenführern mitzuhalten. Die vollmundig beworbene Leistung ist jedoch oft nur mit hohem Derating verfügbar. So kann z. B. ein Bauteil mit 9 Watt Nennleistung durchaus volle Power liefern, wenn die Gehäusetemperatur auf einer unrealistisch niedrigen Temperatur gehalten wird, wenn die Auslastung niedrig ist oder wenn erhebliche forcierte Luftkühlung eingesetzt wird. Die tatsächlich nutzbare Leistung kann deutlich geringer ausfallen. Das 6-W-Modul von RECOM liefert beispielsweise bei +75°C Umgebungstemperatur und Konvektionskühlung mehr Leistung als das Konkurrenzprodukt mit einer Nennleistung von 9 Watt.
Solche Diskrepanzen – wenn also ein Bauteil mit geringerer Nennleistung unter realen Bedingungen mehr Nutzleistung liefert als ein Teil mit höherer Nennleistung – sind ein Anzeichen dafür, dass die bestehende Topologie ihre Grenzen erreicht hat. Unter Umständen lässt sich die Leistungsdichte durch den Einsatz kostspieliger Komponenten weiter erhöhen, allerdings ist dazu eine radikale Umgestaltung erforderlich, die etwa darin besteht, ineffiziente Spulentransformatorenkonstruktionen wegzulassen oder auf ein vollständig planares Design zurückzugreifen. Dieser Ansatz ist beim neuen RS12-Z von RECOM [1] das Mittel der Wahl.
Bei Planartransformatoren werden Leiterbahnen für die Wicklungen verwendet, was bei mehrlagigen Leiterplatten technisch anspruchsvoll ist und oft zu blinden und verdeckten Durchkontaktierungen führt. Darüber hinaus muss der PCB-Stapelaufbau durchdacht gestaltet sein, um den garantierten Isolationsgrad zu erreichen (3kVDC beim RS12-Z). Schließlich ist für jede Eingangs-/Ausgangsspannungskombination ein anderes PCB-Layout mit unterschiedlichen Windungsverhältnissen erforderlich, was den Herstellungsprozess verkompliziert. Planartransformatoren erleichtern andererseits jedoch den Montageprozess und zeichnen sich im Vergleich zu herkömmlichen drahtgewickelten Transformatoren durch eine hohe Wiederholbarkeit bei der Leistung aus. Kombiniert mit Effizienzverbesserungen ermöglicht das fortschrittliche Wärmemanagement bei 75 °C Umgebungstemperatur die volle Ausgangsleistung von 12 Watt über dem 4:1-Eingangsbereich. Bei diesem Produkt wird die im Wandler erzeugte Wärme mit geringem Wärmewiderstand effizient auf das Metallgehäuse übertragen. Um zusätzlich Wärme in die Leiterplatte abzuleiten, werden verzinnte Gehäuselaschen eingesetzt.
Innovatives Design mit zusätzlichen Funktionen
Ein weiterer Vorteil bei fortschrittlichen IC-basierten Wandlerschaltungen ist die erweiterte Funktionalität, mit der einige wichtige Probleme gelöst werden können. Als Hauptspannungsquelle des Subsystems oder des Produkts sollte der Wandler auch dann ordnungsgemäß funktionieren, wenn die Eingangsversorgung abfällt, etwa bei einer sich langsam entladenden Batterie. Geregelte Schaltwandler nehmen für konstante Lasten konstante Leistung aus ihrem Eingang auf, sodass der Strom ansteigt, wenn die Eingangsspannung abfällt. Wenn der Wandler dauerhaft unterhalb der minimalen Nenneingangsspannung arbeitet, kann der erhöhte Strom schädlich sein, sodass eine Unterspannungs-Sperrfunktion erforderlich ist, die in vielen Steuer-ICs eingebaut ist. Die Funktion stellt auch sicher, dass der Wandlerausgang bei einer eingestellten Mindesteingangsspannung sauber abschaltet.
Ein weiteres Merkmal von Schaltungen, wie sie beim RS12-Z verwendet werden, ist ein „Steuerpin“ oder eine EIN/AUS-Funktion. Sie können dazu verwendet werden, den Wandler, wenn er als Eingangsversorgung eingesetzt wird, in einen „Schlafmodus“ zu versetzen, um den Stromverbrauch gering zu halten und die die Batterielebensdauer zu verlängern. Die Funktion kann auch genutzt werden, um den Wandlerausgang mit Hilfe anderer Stromschienen verzögert zu steuern oder zu „sequenzieren“. Die Steuerung kann rein „primärseitig“ erfolgen oder über Optokoppler von isolierten Ausgängen abgeleitet werden. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für eine Wandler-Anordnung, bei der DC/DC 2 aktiviert wird, nachdem DC/DC 1 mit einer festen, durch R1/C1 festgelegten Verzögerung gespeist wird, DC/DC 3 jedoch nur aktiviert wird, wenn der DC/DC 2-Ausgang innerhalb der Toleranz liegt.
Abbildung 2: Sequenzschema DC/DC Wandler
Trimmpins können mehrere Funktionen haben
Eine Trimmfunktion ist nützlich, wenn man einen DC/DC-Ausgang anpassen will, um externe Spannungsabfälle zu kompensieren. Eine typische Anwendung wäre die Parallelschaltung von Wandlern zu Redundanzzwecken, bei der Ausgangsseriendioden eingesetzt werden, um zu verhindern, dass sich der Ausfall eines DC/DC-Wandlers auf den anderen auswirkt (siehe Beispiel in Abbildung 3). In diesem Fall kann bei Schottky-Dioden jeder Ausgang über R1 und R2 um etwa 0,3 V getrimmt werden, sodass die aufgetrimmte Spannung der korrekten Nennspannung entspricht, in diesem Fall 3,3 V. Es ist zu beachten, dass Wandler typischerweise für eine maximale Ausgangsleistung ausgelegt sind, sodass der Nennstrom reduziert werden sollte, wenn der Ausgang nach oben getrimmt wird.
Abbildung 3: Aufgetrimmte DC/DC-Ausgänge zur Kompensation von Diodenabfällen in redundanter Konfiguration
Ein Trimmpin kann auch über eine externe Spannungsquelle angesteuert werden, die weitere Funktionen ermöglicht. Ein Beispiel ist, wenn eine Stromschiene in einem ATE-System in der Produktion benötigt wird, das im Sinne einer „Margining“-Funktion zwischen den zulässigen Toleranzen wechselt, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwankungen der Spannungsversorgung zu testen. Die Schaltung in Abbildung 4 ist so aufgebaut. Sie besteht aus einem Sinuswellen-Oszillator IC1, der an den Trimmpin eines RECOM RS12-Z DC/DC Wandlers mit eingestelltem DC-Offset gekoppelt ist, um die Nennspannung des Trimmpins zu erreichen. VR1 steuert die Amplitude der Variation, IC2 summiert diese mit einem negativen festen Offset, der einen positiven Offset auf dem Trimmpin mit einer Sinuskurve überlagert.
Abbildung 4: Trimmpin als zyklischer Begrenzer für Stromschiene
Bei anderen externen Schaltungen könnte der Trimmpin auch verwendet werden, um eine Fernabtastfunktion zu realisieren oder die Leistungsaufteilung zu steuern, wenn der Strom außerhalb der Wandler abgetastet wird.
DC/DC-EMI-Filter sollten kompakt sein
Bei Verwendung als Hauptstromquelle für Geräte mit geringer Leistung wird ein DC/DC Wandler selbst von einer externen Versorgung gespeist und muss möglicherweise bestimmte EMV-Spezifikationen erfüllen, typischerweise EN 55032, entweder Grenzwerte der Klasse A oder der Klasse B. Dazu benötigen besonders rauschbehaftete oder variable Frequenzwandler gegebenenfalls zusätzliche Filterkomponenten, die mehr Platz auf der Leiterplatte einnehmen können als der Wandler selbst.
Typische Filterschaltungen, die es den RECOM RS12-Z Wandlern ermöglichen, beide Grenzen einzuhalten, sind in Abbildung 5 dargestellt. In diesem Fall handelt es sich um eine Kombination aus kleinen Elektrolyt- und Keramikkondensatoren und niederwertigen Induktoren.
Abbildung 5: Typische DC/DC-EMI-Filter zur Einhaltung von EN 55032 Klasse A und B
Modulare DC/DC-Wandler haben sich seit ihrer Einführung erheblich weiterentwickelt. Leistungsdichte und Funktionalität haben sich erhöht, sodass die Wandler mittlerweile als Präzisionsstromquellen für moderne elektronische Systeme verwendet werden können. Der RECOM RS12-Z ist ein hervorragendes Beispiel für diese Entwicklung. Sein innovatives Design ist für Eingänge mit 12, 24 oder 48V DC Nennspannung mit einer Reihe von Ausgängen geeignet und erreicht auch bei 75°C Umgebungstemperatur volle 12 Watt Leistung.
Quellen:
[1] Link to RECOM RS12-Z data sheet: www.recom-power.com /pdf/Econoline/RS12.pdf
RECOM: We Power your Products
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