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Entwicklung von Stromversorgungsnetzteilen Modular oder diskret?

14.03.2018

Die Stromversorgung ist ein unverzichtbarer Bestandteil jedes Elektrogeräts. Entwickler haben aber die Qual der Wahl, ob sie die Stromversorgung aus diskreten Bauteilen aufbauen oder auf ein vorgefertigtes Modul eines externen Anbieters zurückgreifen. Ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik.

Die wenigsten Firmen können es sich leisten, ein internes Team für die Entwicklung von Stromversorgungen, die speziell auf die Anforderungen jedes einzelnen Projekts zugeschnitten sind, zu beschäftigen. Stattdessen wird meist einer der Projektentwickler mit der Aufgabe betraut, ein Netzteil zu finden, das den Anforderungen des betreffenden Projekts genügt. Dieser steht dann regelmäßig vor der Frage, ob er Zeit für die Entwicklung einer Stromversorgung aus diskreten Bauteilen aufwenden oder auf ein vorkonfektioniertes Modul eines externen Anbieters setzen soll. Dies ist sicherlich kein neues Problem für Entwickler. Da die Entwurfszyklen aber immer kürzer werden und Anwendungen in allen Branchen immer mehr Leistungsfähigkeit auf immer weniger Raum erfordern, entwickelt sich auch die Antwort auf diese uralte Frage stetig weiter.

Platzbedarf als größter Unterschied

Der größte Unterschied zwischen diskreten Stromversorgungen und vorgefertigten Modulen ist der Platzbedarf und die damit verbundene Leistungsdichte. Die Leistungsdichte ist ein Maß für die Leistung (in W), die pro Volumen des eingenommenen Raums umgewandelt wird. Ihre Angabe erfolgt meist in Watt pro Kubikzoll (W/in3). Die meisten Branchen fordern heute Systeme mit mehr Rechenleistung und Funktionalität, ohne dabei aber den für die Ausführung dieser Aufgaben zugewiesenen Speicherplatz zu erhöhen. Im Gegenteil wird in vielen Fällen sogar eine Reduzierung des belegten Speicherplatzes gefordert. Damit sind eine höhere Dichte und integrierte Lösungen unumgänglich. Die Stromversorgung macht da keine Ausnahme. Standard-Stromversorgungsmodule wie das AC/DC-Netzteil der VOF-300-Serie von CUI sind meist hinsichtlich ihrer Größe optimiert und liefern hohe Leistung auf kleinstem Raum. Am anderen Ende des Spektrums befinden sich Stromversorgungen, die mit diskreten Bauteilen direkt auf der Systemplatine (PCB) aufgebaut werden. Bei diesen Lösungen steht die Stromversorgung bezüglich des Platzbedarfs häufig in Konkurrenz zu den übrigen systembezogenen Leiterplattenfunktionen. Bei Stromversorgungen, die große und sperrige Bauteile erfordern, kann es sich entsprechend schwierig gestalten, alle Komponenten in einer PCB-Lösung zu zentralisieren, was zu viel niedrigeren Leistungsdichten führt. Dies gilt vor allem, wenn Anwendungen so konzipiert sind, dass nur eine Seite der Leiterplatte mit Bauteilen bestückt werden kann. Ohne die Möglichkeit, die Rückseite der Leiterplatte zu nutzen, neigen diskrete Stromversorgungen dazu, sich „breit“ zu machen und wertvollen Platz auf der Leiterplatte in Anspruch zu nehmen. Kann eine System-Leiterplatte nur auf einer Seite mit Bauteilen bestückt werden, bieten vorgefertigte Leistungsmodule wesentliche Platzeinsparungen – insbesondere, wenn es in der Anwendung ausreichend Platz oberhalb der Leiterplattenoberfläche gibt. Sofern es sich um eine Plug-and-Play-Lösung handelt und die Modulgröße optimiert wurde, erhöht sich dadurch der Wert eines vorgefertigten Moduls erheblich. In der entsprechenden Abbildung ist die Einsparung an PCB-Fläche erkennbar, wenn man von einer einseitigen zu einer doppelseitigen diskreten Stromversorgung und schließlich zu einem vorgefertigten Stromversorgungsmodul übergeht, das vertikal auf der Leiterplatte montiert werden kann.

Entwickler, die regelmäßig diskrete Netzteile entwickeln, halten eine Reihe sofort einsatzfähiger Bauteile bereit, auf die sie für die einzelnen Projekte zurückgreifen können. Die meisten Entwickler finden jedoch, dass eine zeitnahe Umsetzung diskreter Stromversorgungen zu mühsam ist. Viele verwenden daher Referenzdesigns der Leistungselektronikhersteller, um den Prozess zu beschleunigen. Die Hersteller spezifizieren dafür Stücklisten, Layoutempfehlungen und Designpraktiken. Aber jede Anwendung ist anders – und in der Folge muss der Entwickler oft vom Referenzdesign abweichen, um die Leistungsfähigkeit, die Platzbeschränkungen und die thermischen beziehungsweise EMI-Anforderungen der betreffenden Anwendung erfüllen zu können. Dies birgt Risiken sowohl hinsichtlich der Entwicklungskosten als auch der Leistungsfähigkeit.

Fertige Stromversorgung kombiniert Vorteile

Beispielsweise kann es sein, dass eine neue Anwendung nur eine zweilagige Leiterplatte mit 30 g Kupfer benötigt, während das ausgewählte Referenzdesign für die diskrete Stromversorgung vier Lagen mit 60 g Kupfer empfiehlt. Natürlich könnte der Entwickler die Leiterplattenlagen und damit auch das Kupfergewicht der gesamten Platine verdoppeln. Das wäre aber nicht nur wesentlich teurer, sondern möglicherweise auch nicht praktikabel. Hinzu kommt der sehr große Zeitaufwand, alle Stromversorgungslagen sorgfältig zu planen und die Leiterbahnen für die diskreten Bauteile gemäß den Empfehlungen des jeweiligen Herstellers zu optimieren. Fertige Stromversorgungsmodule hingegen bieten die Vorteile beider Ansätze. Entwickler können die Leiterplatte mit der kleinstmöglichen Anzahl von Lagen und der geringsten Kupfermenge entwickeln und das Stromversorgungsmodul nutzen, um die Leistungswandlung zu vereinfachen beziehungsweise zu optimieren. Anstatt viel Zeit darauf zu verwenden, alle Hersteller diskreter Bauteile ausfindig zu machen, Stromversorgungslagen auf der Leiterplatte auszulegen, Rückkopplungskreise kurz und rauscharm zu halten und die Schaltknoten von empfindlichen Analogschaltungen fernzuhalten, kann der Entwickler einfach ein vorgefertigtes Modul in der entsprechenden Größe auswählen und sich auf andere Designaufgaben konzentrieren.

Ein Beispiel hierfür ist die PBO-5-Serie von CUI, bestehend aus 5W-AC/DC-Wandlern. Diese kompakten Module bieten einfache leiterplattenmontierte Lösungen zur Wandlung von Wechselstrom in eine DC-Schiene für verschiedene Stromkreise (Ausgangsspannungen von 3,3 bis 24 VDC). Die PBO-5-Module sind UL- und CE-zertifiziert und in einem kompakten SIP-Gehäuse untergebracht. Sie bieten eine Isolationsspannung von
3 kVAC sowie einen Kurzschluss- und Überstromschutz. Qualifikationstests und Designvalidierungen eines Netzteils sind weitere Faktoren, die Entwickler bei ihrer Entscheidung für diskrete beziehungsweise modulare Lösungen berücksichtigen müssen. Für ein diskretes Design kann die Durchführung aller notwendigen Validierungstests viel Zeit und Mühe in Anspruch nehmen. Ein Entwickler könnte Wochen damit verbringen, das Design zu entwerfen und zu debuggen – und mit jedem weiteren Re-Design steigen die Kosten und der Zeitaufwand für das Projekt. Im Gegensatz dazu sind Standardmodule vorab getestet und vorqualifiziert.

Ersparnis trotz höherer Stückzahlkosten

Viele Module sind sogar schon für die geltenden Sicherheits- und EMI-Standards vorzertifiziert, was den Zertifizierungsprozess der Endanwendung beschleunigt. Zudem ist zu bedenken, dass bei diskreten Lösungen fast nie langfristige Zuverlässigkeits- und Leistungsdaten vorliegen, um wichtige Kennzahlen wie den Ertrag oder die Ausfallrate zu analysieren. Das führt zu unkalkulierbaren Risiken im Entwicklungsprozess. Vorgefertigte Module hingegen verfügen über eine nachvollziehbare Qualitätshistorie, die vom Modulhersteller abgefragt werden kann. Damit lässt sich eine vorgefertigte Stromversorgungslösung vor dem Entwicklungsstart der Anwendung umfangreich prüfen. Gerechterweise sei an dieser Stelle gesagt, dass vorgefertigte Module bei genauer Betrachtung der Stückliste fast immer teurer als diskrete Lösungen sind. Vor diesem Hintergrund ist es auch verständlich, wa-
rum viele Unternehmen ihre Entwicklungsteams zu dieser Lösung drängen. Bei der Kostenanalyse eines Designs müssen jedoch zusätzlich zu den Stückkosten auch alle zugehörigen Ressourcen berücksichtigt werden, einschließlich Entwicklungsdauer, Simulationsdauer und -tools, Zeit für das Layout, Host-PCB-Anforderungen, Evaluierungszeit und Ausrüstungskosten. Aus dieser Gesamtperspektive betrachtet ermöglichen vorgefertigte Stromversorgungsmodule, dass Projekte schneller in die Fertigung gehen können – bei geringerem Risiko, weniger Aufwand und zugleich niedrigeren Gesamtkosten. Vorgefertigte Module sind sicher nicht für jede Anwendung die richtige Lösung, aber aus den oben genannten Gründen gewinnen sie in immer mehr Designs an Bedeutung.

Bildergalerie

  • Das VOF-300 von CUI ist ein Open-Frame-AC/DC-Netzteil, das bis zu 14,7 W/in3 Leistungsdichte bereitstellt.

    Bild: CUI

  • Wenn man von einer einseitigen zu einer doppelseitigen diskreten Stromversorgung und schließlich zu einem vorgefertigten Stromversorgungsmodul wechselt, lässt sich viel Leiterplattenplatz einsparen.

    Bild: CUI

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