Eine gute Isolation ist wichtig, beispielsweise zunehmende Fahrzeugelektrifizierung.

Versteckte Kosten beim Design vermeiden Isolationsdesign verstehen

05.11.2019

Der Trend hin zu kleineren und leichteren elektrischen Systemen ist unverkennbar. Ein Paradebeispiel dafür ist die Elektrifizierung des Automobils. Jüngste Prognosen der Wirtschaftsprüfungs- und Beratungsgesellschaft PwC gehen davon aus, dass Hybrid- und vollelektrische Fahrzeuge bis 2024 einen Anteil von 40 Prozent am weltweiten Umsatz ausmachen.

Die zunehmende Fahrzeugelektrifizierung führt zu einer steigenden Notwendigkeit an Isolation zwischen den elektrischen Komponenten und Systemen, deren Anzahl ebenfalls zunimmt. So wächst zum Beispiel die Zahl der Elektrofahrzeuge mit 400V-Stack-Batterien, die von sicherheitsrelevanten Aspekten begleitet werden enorm.

Elektronik und Isolation

Durch die Bereitstellung von Isolationslösungen der nächsten Generation steigen die Zahl und Vielfalt der damit verbundenen Herausforderungen. Die Systeme, insbesondere im Hinblick auf die Isolation, beinhalten komplexe Architekturen und Prozesse, welche die Flexibilität begrenzen sowie Einschränkungen und Hindernisse für Veränderungen mit sich bringen.

Der zunehmende Wettbewerb und die Globalisierung zwingt Unternehmen, sich mehr auf Kriterien wie Time-to-Market (TTM) und Return-on-Investment (ROI) zu konzentrieren. Dies bedeutet, dass Entwicklerteams zeitlich dicht gedrängte Abläufe perfekt durchführen müssen.

Mit zunehmend überprüften und gedehnten Design- und Entwicklungsressourcen gibt es keine lange Liste an Erfahrungen in allen kritischen Disziplinen. Iterationen müssen auf ein Minimum beschränkt sein, um das angestrebte ROI zu erreichen. Gleichzeitig kann der Druck von Wettbewerbern die gesteckten Leistungsziele schnell und unerbittlich erhöhen, um Produkte weiter zu differenzieren. Auch gibt es neue Regulierungsbehörden und strengere Vorschriften, die eine weitere Stufe von Anwendungstests und Zertifizierung hinzufügen. Diese Anforderungen und Risiken sind dabei recht hoch.

Isolationsdesign verstehen

Isolation ist ein wesentlicher und kein einfacher Bestandteil bei der Entwicklung von Isolationsdesigns. Von der Ermittlung des erforderlichen Isolationsgrads über die Bereitstellung isolierter Energie zur Ergänzung des isolierten Datenpfads bis hin zur Anpassung der Lösung an den verfügbaren Platz, sind viele Entwicklungskompromisse abzuwägen. Doch jedes neue Projekt bringt seine eigenen, einzigartigen Designziele und Anforderungen mit sich.

Mehrere Faktoren, einschließlich technische Schwierigkeiten, Ähnlichkeiten zu vorherigen Designs, Zeit- und Ressourcenplanung, geben vor, welche Teile einer Entwicklung sich bei neuen Entwicklungen wiederverwenden lassen. Bisherige Entwicklungs- oder Architekturkonzepte mit minimalen Änderungen wiederzuverwenden, verringert normalerweise Risiken und ermöglicht eine schnellere Umsetzung.

Allerdings erfordern neue Leistungsmerkmale oder ein erhöhtes Leistungsniveau oft die Untersuchung von neuen und teilweise noch unbekannten Konzepten. Allerdings kann es auch eine Frage des Einsatzes von begrenzten Entwicklungsressourcen zur Evaluierung neuer und verbesserter Technologien sein, um Wertschöpfungsanteile der Entwicklung bereitzustellen.

Gängige Ansätze überdenken

Mit integrierten isolierten DC/DC-Wandlern lassen sich viele Überlegungen leichter umsetzen, da nun kompakte und einfach handhabbare Lösungen mit dokumentierten Sicherheitszertifizierungen verfügbar sind. Man stelle sich das Szenario eines neuen Projekts vor, bei dem eine bereits vorhandene Entwicklung auf ein höheres Leistungsniveau mit zusätzlichen Leistungsmerkmalen gebracht werden soll.

Die Teammitglieder sind sofort motiviert und bereit, gleich mit der Arbeit zu beginnen. Der technische Projektleiter jedoch muss sich um alle verschieden Dinge kümmern, die schiefgehen können und die zunehmende Komplexität bei knappen Budget- und Zeitvorgaben beherrschen.

Zu den Herausforderungen beim Projektmanagement gehört auch die Aufgabe, zunehmend anspruchsvollere Anforderungen hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) zu erfüllen. Immer mehr neue Anwendungen und Märkte verlangen die Einhaltung zahlreicher EMV-Spezifikationen, wobei sich die Messlatte mit ausgedehnteren Leistungsgrenzen weiter erhöht.

Existierende diskrete Lösungen, beispielsweise isolierte Sperrwandler, bieten zwar Vorteile wie geringe Bauteilekosten (BOM), bringen jedoch auch Nachteile mit sich. Ein typisches Sperrwandlerdesign enthält einen Controller, der einen Transformator treibt, mit Gleichrichtung und Filterung auf der Sekundärseite sowie ein optisch isoliertes Rückkopplungsnetzwerk. Für den Fehlerverstärker ist ein Kompensationsnetzwerk zur Stabilisierung des Spannungskreises zu entwickeln. Außerdem beeinträchtigen Schwankungen der Optokoppler-Leistungsdaten den Fehlerverstärker.

Häufig werden Optokoppler als kostengünstige Isolatoren für den Einsatz in Stromversorgungen betrachtet. Allerdings weisen sie Änderungen des Stromübertragungsverhältnisses (CTR) auf, welche die Leistungsfähigkeit der Spannungsrückkopplung und den effektiven Betriebstemperaturbereich begrenzen.

Das CTR ist definiert als Verhältnis aus Ausgangstransistorstrom zu Eingangs-LED-Strom. Es verläuft nichtlinear und schwankt erheblich zwischen Bauteilen. Optokoppler weisen normalerweise beim anfänglichen CTR eine Unsicherheit von 2:1 auf, die sich nach einigen Jahren in Umgebungen mit hohen Temperaturen, beispielsweise in Stromversorgungen mit hoher Leistung und hoher Leistungsdichte, um bis zu 50 Prozent vermindern kann. Für einen Projektmanager erscheint das diskrete Sperrwandlerkonzept aus Kostensicht besser, wobei es jedoch Entwicklungskompromisse und technische Risiken mit sich bringt.

Ein weiteres Problem des diskreten Konzeptes besteht in der Erfüllung der relevanten Sicherheitsstandards. Da Sicherheitsbehörden diskrete Entwicklungen genauer überprüfen, können oft mehrere Entwicklungsiterationen erforderlich sein, um die notwendigen Zertifizierungen zu erhalten. Isolation im System erhöht auch die Komplexität von Leistungsdesigns.

Ein typisches nicht-isoliertes Design bringt die üblichen Einschränkungen mit sich wie zum Beispiel Ein- und Ausgangsspannungsbereiche, maximaler Laststrom, Rauschen und Welligkeit, Verhalten von Transienten und Anlaufeigenschaften. Ihrem Wesen nach beseitigt die Isolationsbarriere die Fähigkeit, Ein- und Ausgangssituationen gleichzeitig zu überwachen, was es erschwert, das Leistungsniveau zu erreichen.

Die separaten Massebereiche bilden eine Dipolantenne und Gleichtaktströme, die die Barriere durchqueren. Sie regen den Dipol an und führen zu unerwünschter, abgestrahlter Energie.

Die Tests bestehen

Damit eine diskrete Leistungsschaltung die EMV-Zertifizierung erhält, können mehrere Iterationen notwendig sein. EMV-Tests dauern lange, sind teuer und bringen mit sich, dass Teams viele Stunden mit der Vorbereitung und Überwachung der Tests bei einer externen Compliance-Einrichtung verbringen müssen.

Sobald Probleme auftreten, heißt es zurück ins Labor, um Fehler zu suchen und entsprechende Änderungen vorzunehmen. Anschließend muss die Entwicklung komplett neu charakterisiert werden, um sicherzustellen, dass die Standard-Leistungsdaten durch die Modifikationen nicht beeinträchtigt wurden. Erneut geht es dann in die EMV-Einrichtung zur Nachprüfung.

Die letzte Phase dreht sich um den Erhalt der notwendigen Sicherheitszertifizierungen. Auch dies ist ein langwieriger und teurer Prozess, der von einer externen Sicherheitsbehörde durchgeführt wird. Eine umfangreiche Dokumentation muss vom Entwicklerteam vorbereitet werden und wird von der Behörde sorgfältig geprüft. Jede Neuerung wird besonders intensiv geprüft und macht die Wiederverwendung von bereits zertifizierten Schaltungen wünschenswert.

Eine diskrete isolierte Leistungsschaltung ist gegebenenfalls zu ändern, falls die Behörde entscheidet, dass sie die Sicherheitsanforderungen nicht erfüllt. Nach der Änderung muss das Design erneut recharakterisiert werden und die EMV-Tests durchlaufen.

Eine bessere Lösung

Die Antwort auf diese Problematik ist ein komplett integriertes und sicherheitszertifiziertes Bauteil mit dokumentiertem EMV-Verhalten. Ein Beispiel dafür sind die isolierten DC/DC-Wandler ADuM5020 / ADuM5028 mit geringer Störstrahlung und isoPower-Technologie.

Die Wandler stellen bei einer nominalen Versorgungsspannung von 5VDC eine isolierte Leistung von 0,5W zur Verfügung und arbeiten bei Temperaturen von –40 bis +125 Grad Celsius. Sie sind entsprechend mehrerer System- und Komponenten-Sicherheitsspezifikationen wie UL, CSA und VDE zertifiziert. Außerdem erreichen die genannten Bauteile den spezifizierten System-EMV-Pegel gemäß EN 55022/CISPR 22, Klasse B, unter Volllastbedingungen auf einer einfachen zweilagigen Leiterplatte.

Das kleine Gehäuse (16- und achtpoliges Wide Body SOIC) beansprucht nur wenig Platz auf der Leiterplatte. Zum Erreichen der Störstrahlungsvorgaben ist kein Sicherheitskondensator notwendig. Dies macht die isolierte Leistungsschaltung kleiner und preiswerter als ein diskretes Konzept, wie beispielsweise ein Embedded-Stitching-Kondensator, der vier oder mehr Lagen mit individuellen Abständen benötigt, um die richtige Kapazität zu produzieren.

Isolation ohne Komplexität

Der Bedarf an definierter Isolation steigt mit der zunehmenden Elektrifizierung von Automobilen und anderen Fahrzeugen. Gleichzeitig treibt ein verschärfter Wettbewerb die Notwendigkeit zur Senkung der Kosten und Verkürzung der Time-to-Market. Gekoppelt mit diesen genannten Faktoren sind strengere regulatorische Anforderungen und die dem Isolationsdesign innewohnende Komplexität.

Dieser Zusammenfluss von Marktanforderungen und Herausforderungen lässt sich mit herkömmlichen Isolationskonzepten nicht erfüllen. Komplett integrierte und sicherheitszertifizierte isolierte DC/DC-Wandler mit dokumentierten EMV-Leistungsdaten bieten Systementwicklern eine bessere Lösung. Sie können die Entwicklungskomplexität deutlich reduzieren und bessere EMV-Tests und die Einhaltung von Vorschriften sicherstellen.

Bei weniger Zeit für Redesign, Recharakterisierung und erneute Tests können Entwickler den Leiterplattenplatz deutlich verringern, Risiken mindern, die Kosten extrem senken und die Time-to-Market drastisch verkürzen.

Bildergalerie

  • Aufbau eines typischen isolierten DC/DC-Sperrwandlers.

  • Kompaktes und einfaches Layout mit dem ADuM5020.

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