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DC/DC-Wandler müssen in jeder Situation zuverlässig funktionieren.

Bild: iStock, Yakovliev

Anforderungen an DC/DC-Wandler So entwickelt man zuverlässige Stromversorgungen

29.11.2021

Industrie 4.0 revolutioniert die intelligente Produktion und bringt innovative Anlagen hervor, die miteinander kommunizieren und so die Produktionskette straffen. Da die Zahl der eingesetzten Sensoren, Stellantriebe, Antriebe und Steuerungsknoten steigt, wird es von entscheidender Bedeutung sein, dass alle Interaktionen sicher und zuverlässig ablaufen. Deshalb steigen auch die Anforderungen an DC/DC-Wandler.

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Das hatten Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta und André-Marie Ampère nicht geahnt, aber heute kann unsere hochtechnisierte Welt ohne Spannung und Strom nicht mehr funktionieren. So ziemlich alles würde ohne elektrische Energieversorgung zusammenbrechen. Angefangen vom einfachen Consumer-Gerät über die LED-Beleuchtung, Rechnernetzwerke, einem medizinischen Gerät, das uns hilft gesund zu bleiben, bis hin zu Satelliten oder das Hubble-Teleskop, mit dem wir ferne Welten erforschen.

Und dann sind da noch die Navis und die Elektrofahrzeuge. Heutzutage könnten Schiffe ohne Navis nur schwerlich zu ihrem Zielhafen finden und Flugzeuge bräuchten einen zusätzlichen Navigator. Und die „E-Mobilität“? Elektrofahrzeuge müssen sicher sein und dann sollen sie auch noch autonom fahren! Das Auto wird neu gedacht. Ein Lenkrad gibt es nicht mehr. Und wir sitzen auf dem Rücksitz. Drei Bordcomputer, unzählige Sensoren, Software ohne Ende, künstliche Intelligenz! Und wenn alles zusammenspielt und ausreichend entwickelt ist, dann verlassen wir uns auf die Technik, ziehen die Jalousien herunter und kommen entspannt an. Schön, noch ein bisschen Zukunft, aber für Behindertenfahrzeuge gibt es das schon.

Zuverlässigkeit

Die dicke fette Traktionsbatterie treibt den Motor an. Und alle anderen Verbraucher wie auch die Bordcomputer mit ihren KI-Programmen werden ebenfalls aus der Traktionsbatterie versorgt, aber sie benötigen niedrigere Spannungen wie etwa 12 V, 18 V, 24 V. Und die eigentlichen Mikrocontroller und ihre Peripherie arbeiten mit 5 V, 3,3 V oder 1,8 V und die werden wiederum aus den 12 V erzeugt. Und jetzt sind wir bereits an der ersten harten Anforderung für DC/DC-Wandler angekommen. Sie müssen genauso sicher und zuverlässig arbeiten wie die ganze Rechnertechnik. Und dummerweise werden sie physikalisch bedingt auch noch warm. Und wenn etwas warm wird (oder vielleicht heiß), dann gibt es eine Alterung. Bei geringer Temperaturerhöhung ist sie unbedeutend, doch je heißer die Bauteile werden, desto stärker setzen Alterungsprozesse ein. Bei Elektrolyt-Kondensatoren sogar stark überproportional.

Bei der vorhandenen Bauteiletechnologie hilft dann nur eine gute Entwärmung. Lüfter sind meist ausgeschlossen und so bleibt nur die Wärmeableitung über wärmeleitfähiges Material, etwa einer Grundplatte aus Aluminium, die die Wärme direkt an das Gehäuse abgibt. Und dann gibt es noch einen zweiten „Trick“: Anstatt einen großen DC/DC-Wandler zu verwenden, werden mehrere kleine Wandler flächig verteilt (Distributed-Power-Architektur). Das hat auch noch den Vorteil, dass die Spannungen dort erzeugt werden, wo sie gebraucht werden. Aus einer 12-V-Schiene, sozusagen einem internen Versorgungsbus werden 3,3 V direkt am Mikrokontroller erzeugt und die Analogschaltung für die Aufbereitung der Sensorsignale erhält einen eigenen 12-V-/5-V-Wandler in ihrer unmittelbaren Nähe. Diese Architektur ist auch unter dem Begriff PoL (Point of Load) bekannt. Sie hat neben der verteilten Wärme auch EMV-Vorteile.

Baugröße und EMV

Nach dem bisher Gesagtem sehen wir schon, dass die Bedeutung von kleinen, hocheffizienten DC/DC-Wandlern zunimmt und die Architektur eines Gerätes bestimmt.

Neben den bereits genannten Anforderungen müssen die Wandler möglichst kleine Abmessungen haben, eine hochkonstante und genaue Ausgangsspannung liefern, die auch bei einem Lastsprung innerhalb definierter Grenzen bleibt. Sie müssen einen weiten Eingangsspannungsbereich haben und darüber hinaus sehr kostengünstig sein. Die Anforderungen lassen sich in den meisten Fällen praktisch nur mit Schaltregler realisieren, denn ein Längsregler würde zu viel Abwärme erzeugen. Schaltregler benötigen aber eine EMV-konforme Filterung am Ausgang und manchmal auch am Eingang. Bei der Auswahl eines Wandlers muss deshalb darauf geachtet werden, welche Normen er bereits erfüllt und welche zusätzlichen Filter benötigt werden.

Marktübliche Wandler gibt es für Leistungen von einigen hundert Milliwatt bis hin zu mehreren hundert Watt. So unterschiedlich die Leistungen sind, so verschieden sind auch die gebräuchlichen Bauformen. Diese reichen von SMD, SIL oder DIL für den Leistungsbereich bis circa 10 W, über die zölligen Baugrößen für Leistungen bis circa 40 W bis hin zu den Brick-Wandlern für große Leistung. Ein Full-Brick kommt etwa auf Abmessungen von 117 mm x 61 mm.

Ein Beispiel

Um ein Beispiel für einen schaltenden Spannungsregler zu nennen, wählen wir bewusst einen Wandler mit kleiner Leistung, denn bei kleinen Wandlern ist ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte besonders schwierig zu erreichen. Es handelt sich hierbei um den RPX-4.0, ein Miniatur-Abwärtswandler in einem thermisch-optimierten QFN-Gehäuse mit einer für seine Bauform extrem hohen Leistungsdichte für ein solchen Spannungsregler.

Es wiegt nur 2 g und eignet sich daher besonders für gewichtsbeschränkte Anwendungen wie fliegende Drohnen, Beschleunigungsschaltungen und tragbare Geräte. Bei 5-V-Ausgangsspannung liegt die Leistungsdichte bei 180 W pro cm3. Der große Eingangsspannungsbereich deckt alle gängigen Akkuspannungen ab. Deshalb kann der kleine Spannungswandler in praktisch allen akkubetriebenen Produkten - besonders im IoT-Umfeld - eingesetzt werden.

Der nützliche CTRL-Eingang kann verwendet werden, um den RPX-4.0 in den Sleep-Mode zu versetzen oder einen hohen Ausgangsstrom mit einem Low-Power-Steuersignal zu schalten. Auch kann er sehr einfach für eine Not-Aus-Funktion verwendet werden. Ungewöhnlich für ein so kleines Gerät ist, dass der RPX.4.0 bis zu 4 Ampere liefern kann - ausreichend für viele stromhungrigen Anwendungen wie Schrittmotortreiber, Anwendungen mit hohem Anlaufstrom oder Laserstromversorgungen.

Der RPX-4.0 ist für 3,8 bis 36-V-Eingangsspannung ausgelegt und liefert – mit zwei Widerständen einstellbar - 1 bis 7-V-Ausgangsspannung mit 4 A. Mit der kompakten Abmessung von 5 mm x 5,5 mm und lediglich 4,1 mm Bauhöhe setzt das Abwärtswandler-Modul neue Maßstäbe bei der Leistungsdichte. Der RPX-4.0 ist vollkommen geschützt gegen Unterspannung, Kurzschluss, Überstrom und Überhitzung.

Wirkungsgrad

Der hohe Wirkungsgrad des RPX-4.0 erlaubt einen Betrieb mit voller Leistung bis zu 65 °C und mit Leistungsminderung bis zu 90 °C je nach Variante und Montageanordnung. Die Wirkungsgradkurve ist für kleine Ausgangsleistungen ansteigend, der Wandler kann auch bei mittleren und kleinen Ausgangsleistungen vorteilhaft eingesetzt werden. Erreicht wird dies durch eine intelligente Steuerung der Schaltfrequenz und einer integrierten und abgeschirmten Speicherdrossel, die zusätzlich für niedrige EMI sorgt. Die Konstruktion folgt der Recom-Technologie „3D Power Packaging“ für hohe Leistungsdichte und nutzt eine Konstruktion mit Flip-Chip on Leadframe. Er verfügt über eine drei jährige Garantie. Außerdem ist ein Evaluierungsboard RPX-4.0-EVM-1 erhältlich, mit dem Kunden alle Produktfunktionen testen und die Filterung optimieren können, um die Anforderungen des Zielsystems zu erfüllen.

Verlustlose Stromquelle

Wenn LED‘s aus einer Spannungsquelle gespeist werden, benötigen sie zur Strombegrenzung und Arbeitspunkteinstellung einen Vorwiderstand. In ihm wird nennenswert Verlustleistung erzeugt. Sie kann vermieden werden, wenn eine Stromquelle zum Speisen der LED verwendet wird.

Größenvergleich

Mit der 3DPP-Technologie von Recom hat der RPX-4.0 eine deutlich höhere Leistungsdichte als herkömmliche Wandler. Trotz seiner geringen Größe ermöglicht das hervorragende interne Thermomanagement-Design dennoch einen Volllastbetrieb ohne Zwangskühlung.

Bildergalerie

  • Mit der 3-DPP-Technologie von Recom hat der RPX-4.0 eine deutlich höhere Leistungsdichte als herkömmliche Wandler.

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  • Mit einem Spannungsregler und einem Operationsverstärker lässt sich eine einfache Schaltung realisieren, die bezüglich der LED die Stromquellencharakteristik hat.

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  • Mit welcher Effizienz die Stromversorgungen arbeiten, zeigt das Diagramm.

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  • Das Diagramm verdeutlicht die Charakteristik des RPX-Ausgangs.

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