Neue isolierte DC/DC-Topologie maximiert Zuverlässigkeit und minimiert Kosten und Lieferkettenunterbrechungen
25.03.2024
Bekannt, bewährt und jetzt noch besser: Optimale Ausgewogenheit, Flexibilität und Automatisierbarkeit. Wie ein traditionelles Standardprodukt durch mehr Effizienz, weniger Fehler und adaptierbare Produkt-Roadmaps zukunftstauglich gemacht wird.
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Abstrakt
Viele verschiedene DC/DC-Wandlertopologien wurden entwickelt, jede mit ihren eigenen Merkmalen. Doch es ist ungewöhnlich, dass ein neues Design die Grenzen etablierter, bewährter Architekturen überwindet und gleichzeitig moderne Vorteile einführt – insbesondere bei Anwendungen mit niedriger Leistung.
In diesem Whitepaper untersuchen wir, wie ein langjähriges Arbeitspferd der Industrie weiterentwickelt wurde, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Größe, Gewicht, Energieeffizienz und Kosten zu erreichen. Gleichzeitig ermöglicht es flexible Produkt-Roadmaps, indem es eine breite Palette an Eingangsspannungen sowie sowohl isolierte als auch geregelte Ausgangsoptionen unterstützt. Die Wahl einer Topologie, die mit automatisierter Transformatorfertigung kompatibel ist, trägt außerdem dazu bei, den manuellen Aufwand zu reduzieren und somit das Risiko menschlicher Fehler zu minimieren.
In diesem Whitepaper untersuchen wir, wie ein langjähriges Arbeitspferd der Industrie weiterentwickelt wurde, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Größe, Gewicht, Energieeffizienz und Kosten zu erreichen. Gleichzeitig ermöglicht es flexible Produkt-Roadmaps, indem es eine breite Palette an Eingangsspannungen sowie sowohl isolierte als auch geregelte Ausgangsoptionen unterstützt. Die Wahl einer Topologie, die mit automatisierter Transformatorfertigung kompatibel ist, trägt außerdem dazu bei, den manuellen Aufwand zu reduzieren und somit das Risiko menschlicher Fehler zu minimieren.
Einleitung
Das Herzstück jedes isolierten DC/DC-Wandlers ist der Transformator. Da Transformatoren ausschließlich mit Wechselstrom (AC) arbeiten, führt jeder isolierte DC/DC-Wandler im Grunde eine Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und anschließend wieder zurück in Gleichstrom durch (Abbildung 1).
Die einfachste Form der DC/AC-Wandlung ist ein freischwingender Oszillator, der eine Rechteckwelle an der Primärwicklung des Isolationstransformators erzeugt. Auf der Sekundärseite besteht der einfachste AC/DC-Wandler aus einer Dioden-Kondensator-Schaltung, die die Ausgangswelle gleichrichtet und filtert, um eine DC-Ausgangsspannung zu erzeugen.
Die einfachste Form der DC/AC-Wandlung ist ein freischwingender Oszillator, der eine Rechteckwelle an der Primärwicklung des Isolationstransformators erzeugt. Auf der Sekundärseite besteht der einfachste AC/DC-Wandler aus einer Dioden-Kondensator-Schaltung, die die Ausgangswelle gleichrichtet und filtert, um eine DC-Ausgangsspannung zu erzeugen.
Abb. 1: Blockdiagramm eines isolierten DC/DC-Wandlers
Die einfachste vollständige DC/DC-Wandlerschaltung ist die selbstschwingende Royer-Topologie – ein ungeregelter Gegentaktwandler (Abbildung 2):
Diese Schaltung enthält neben dem Transformator nur acht kostengünstige Komponenten: zwei Transistoren, zwei Widerstände, zwei Dioden und zwei Kondensatoren. Die Transistoren TR1 und TR2 werden durch die beiden Rückkopplungswicklungen T1af und T1bf gegenphasig abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Der Ausgang der Sekundärwicklung wird durch die Dioden D1 und D2 gleichgerichtet und anschließend vom Ausgangskondensator C2 geglättet. Eine vollständige Analyse der Royer-Topologie finden Sie im DC/DC Book of Knowledge.
Ein DC/DC-Wandler mit Royer-Topologie bietet mehrere Vorteile: eine geringe Stückliste (BoM), kompakte Bauform (bis <0,5cm³) und hohe Isolation (bis zu 4kVDC für 1 Sekunde). Zudem lässt sich mit einem zusätzlichen Kondensator und durch Umpolung von D2 sehr einfach ein dualer ± Ausgang realisieren – ideal für die Versorgung von Dual-Rail-Operationsverstärkern, A/D-Wandlern oder bipolaren Sensorsystemen. Der Hauptnachteil liegt in der fehlenden Regelung, doch bei stabiler Eingangsspannung und einem Lastbereich von 10–100% bleibt die Ausgangsspannung typischerweise innerhalb von ±10%, was für kostensensitive Anwendungen durchaus akzeptabel ist.
Für Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf und notwendiger galvanischer Trennung bleibt er die am weitesten verbreitete DC/DC-Wandlerlösung auf dem Markt.
Ein DC/DC-Wandler mit Royer-Topologie bietet mehrere Vorteile: eine geringe Stückliste (BoM), kompakte Bauform (bis <0,5cm³) und hohe Isolation (bis zu 4kVDC für 1 Sekunde). Zudem lässt sich mit einem zusätzlichen Kondensator und durch Umpolung von D2 sehr einfach ein dualer ± Ausgang realisieren – ideal für die Versorgung von Dual-Rail-Operationsverstärkern, A/D-Wandlern oder bipolaren Sensorsystemen. Der Hauptnachteil liegt in der fehlenden Regelung, doch bei stabiler Eingangsspannung und einem Lastbereich von 10–100% bleibt die Ausgangsspannung typischerweise innerhalb von ±10%, was für kostensensitive Anwendungen durchaus akzeptabel ist.
Für Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf und notwendiger galvanischer Trennung bleibt er die am weitesten verbreitete DC/DC-Wandlerlösung auf dem Markt.
Abb. 2: Royer-Topologie
Minimale Kostenschranke
Trotz des Erfolges von Royer-Wandlern verlangt der Markt immer weitere Kostensenkungen. Die wichtigsten Fixkosten sind die Kosten für den Bau der Transformatoren (Abbildung 3).
Sie werden in der Regel von Hand auf Ferrit-Ringkerne gewickelt, da sie aufgrund ihrer sehr geringen Größe (6mm Außendurchmesser und 3mm Innendurchmesser) für herkömmliche Transformatorwickelmaschinen zu klein sind.
Sie werden in der Regel von Hand auf Ferrit-Ringkerne gewickelt, da sie aufgrund ihrer sehr geringen Größe (6mm Außendurchmesser und 3mm Innendurchmesser) für herkömmliche Transformatorwickelmaschinen zu klein sind.
Abb. 3: Typischer handgewickelter Miniaturtransformator
Die Materialkosten von Ringkerntransformatoren – also Kernmaterial und Draht – sinken mit wachsender Produktionsmenge. Die Montagezeit pro Transformator bleibt jedoch konstant. Dadurch entsteht eine Untergrenze der Herstellungskosten – selbst bei Produktionsvolumen in Millionenhöhe (Abbildung 4):
Bei so wenigen Bauteilen gibt es nur begrenzten Spielraum, um die Komponentenkosten weiter zu senken. Da ein Großteil der Montagearbeiten – wie das Wickeln der Transformatoren und das Löten der Drahtenden auf die Leiterplatte – manuell erfolgt, könnten die Herstellungskosten durch Auslagerung in Niedriglohnländer reduziert werden. RECOM ist jedoch ein verantwortungsbewusster Arbeitgeber und legt großen Wert auf das Know-how und die Erfahrung seiner Mitarbeitenden – daher zahlen wir faire Löhne.
Die nachhaltige Lösung liegt in einem Paradigmenwechsel: dem Wechsel zu einer neuen Topologie- und Transformatorarchitektur, die für eine vollständig automatisierte Fertigung geeignet ist.
Die nachhaltige Lösung liegt in einem Paradigmenwechsel: dem Wechsel zu einer neuen Topologie- und Transformatorarchitektur, die für eine vollständig automatisierte Fertigung geeignet ist.
Abb. 4: Herstellungskosten im Verhältnis zur Stückzahl
DC/DC-Wandler der nächsten Generation
Damit ein Transformator funktioniert, benötigt er mindestens eine Windung auf der Primär- und eine auf der Sekundärseite. In der Praxis sind jedoch – abhängig von Ein- und Ausgangsspannung – deutlich mehr Windungen sowie aufgeteilte Primär- und Sekundärwicklungen mit Mittelanzapfung erforderlich. Für die Royer-Topologie kommen zusätzlich zwei Rückkopplungswicklungen hinzu. Diese sechs separaten Wicklungen machen den Transformator in der Royer-Ausführung besonders arbeitsintensiv.
Ein Wettbewerber verfolgt einen anderen Ansatz: Er bildet die Wicklungen um den Ferritkern mithilfe einer mehrlagigen Leiterplatte mit Durchkontaktierungen, die die elektrischen Verbindungen von der Ober- zur Unterseite herstellen und so die ...
Ein Wettbewerber verfolgt einen anderen Ansatz: Er bildet die Wicklungen um den Ferritkern mithilfe einer mehrlagigen Leiterplatte mit Durchkontaktierungen, die die elektrischen Verbindungen von der Ober- zur Unterseite herstellen und so die ...
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