Abbildung 1: Die Leistungsdichte eines Low-Power-DC/DC-Wandlers wurde über Jahrzehnte nur um einen kleinen Faktor verbessert. Das linke Stück hat 1 W und das rechte 3 W im SIP7-Format. Quelle: RECOM
Auf dem Markt sind DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch aufgrund der manuellen Montage der magnetischen Komponenten in der Regel mit einem erheblichen Arbeitsaufwand verbunden. Heutzutage erleichtern neue Designtechniken und fortschrittliche Fertigungstechnologie die automatisierte Montage und verbessern die Leistung, ohne die Kosten zu senken.
Die Technologie zur Herstellung von platinenmontierten DC/DC-Wandlern mit geringem Stromverbrauch hat sich langsamer und getrennter entwickelt als die anderer elektronischer Produkte. Ein typischer Konverter ist jahrzehntelang ein gekapseltes Durchgangslochmodul oder eine oberflächenmontierte „Tochterplatine“ mit offenem Rahmen geblieben, und es werden weiterhin neue Produkte mit Pin-Konfigurationen und Formfaktoren auf den Markt gebracht, die seit dem Jahrzehnt Standard sind. 1980. Auf der Andererseits haben sich andere Funktionsblöcke wie Schnittstellen, A/D- und D/A-Wandler usw. kontinuierlich von diskreten Lösungen zu immer kleineren „Chips“ weiterentwickelt: oberflächenmontierte integrierte Schaltkreise mit einer Höhe von nur einem Bruchteil eines Millimeters Die Grundfläche ist kaum größer als die Größe der internen Matrix, die jetzt Spurgeometrien im Nanometerbereich aufweisen kann.
Warum sind DC/DCs dem Downsizing-Trend nicht gefolgt?
DC/DC sind nichts anderes als eine Reihe aktiver und passiver Komponenten. Warum sind sie also nicht zu einem „anderen“ integrierten Schaltkreis geworden und auf die gleiche Weise verkleinert worden? Ein Grund dafür ist, dass sie oft mit erheblicher Verlustleistung arbeiten und daher eine gewisse Oberfläche zur Verlustleistung benötigen. Dies stellt jedoch immer weniger ein Problem dar, da die Effizienz mit neuen Umwandlungstechniken steigt. Der Hauptgrund sind die in den meisten Umrichtern benötigten magnetischen Komponenten, die seit Jahrzehnten hartnäckig bei der gleichen Fertigungstechnologie und in etwa der gleichen Größe geblieben sind. Zum Vergleich: 1988 lieferte die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) ICs mit einer Geometrie von 3 µm, heute ist der Wert mit 3 nm tausendmal kleiner [1]. Im gleichen Zeitraum wurden auch typische diskrete oberflächenmontierte passive Komponenten, die sich bequem für die Maschinenplatzierung eignen, von der Größe 1206 auf nur 01005 verkleinert, was einer mehr als 50-fachen Reduzierung des Platzbedarfs entspricht. Andererseits haben sich die Größen der Magnetkerne von Transformatoren und Reaktanzen von DC/DC-Wandlern seit den 80er Jahren kaum verändert, abhängig von der maximalen, dem Material innewohnenden Flussdichte und der Betriebsfrequenz, die wiederum die minimale Anzahl bestimmen Windungen der Wicklung. Um Generationen von Energietechnikern gegenüber fair zu sein, hat sich die Leistungsdichte verbessert, mit geringeren Verlusten dank neuer Umwandlungstopologien, besserer Komponenten und fortschrittlichem thermischen Design. Dies hat es ermöglicht, mit einem DC/DC-Modul einer bestimmten Größe mehr Ausgangsleistung zu erzielen, im Fall des SIP3-Formats möglicherweise nur um den Faktor 7, für einen ungeregelten Typ (Abbildung 1).
Optionen zur Optimierung des Magnetismus
Es gab schon immer Möglichkeiten, die Größe der magnetischen Komponenten zur Leistungsumwandlung durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz zu reduzieren, was normalerweise die Kerngröße, die Wicklungswindungen oder beides in irgendeiner Kombination verringert. Mit zunehmender Schaltfrequenz nimmt jedoch die Halbleitereffizienz ab und die Kernverluste nehmen zu, sodass die Gesamtgehäusegröße nicht unbedingt verringert wird, ohne dass die Innentemperaturen steigen. Die Lösung ist ein komplexerer Konverter, der auf eine höhere Effizienz ausgelegt ist, aber dieser wurde als unerschwinglich teuer angesehen.
Die magnetischen Teile sind außerdem relativ teuer in der Herstellung und im Einbau in einen typischen Konverter; Die Montagetechniken, mit denen Faraday vertraut gewesen wäre, haben sich kaum verändert: isolierte Drähte um einen Kern wickeln und dann „fliegende“ Drähte an ein Substrat löten (Abbildung 2). Spulen nehmen oft zu viel Platz ein, und Techniken mit gedruckten Wicklungen waren aufgrund der Anzahl der erforderlichen Windungen und Wicklungen und der inakzeptablen Kosten von Mehrschichtsubstraten, zumindest für Produkte mit geringer Leistung, nicht praktikabel.
Abbildung 2: Eine herkömmliche Methode zur Implementierung und zum Abschluss eines Transformators in einem DC/DC-Wandler mit geringer Leistung. Die typische Drahtgröße beträgt 0,18 mm und der Kerndurchmesser beträgt außen 6 mm und innen 3 mm.
Hersteller haben sich für Einfachheit entschieden, um die Teilekosten zu senken
Der von den meisten Herstellern von DC/DC-Wandlern mit geringem Stromverbrauch eingeschlagene Weg bestand darin, die Schaltung zu vereinfachen und so kostengünstig wie möglich zu machen, beispielsweise durch die Verwendung der traditionellen „Royer“-Schaltung (Abbildung 3). Die erzielten Einsparungen kompensieren dann die hohen Arbeitskosten für das Wickeln einfacher Ringkerne und das manuelle Löten der Drähte auf eine doppelseitige Leiterplatte, die gekapselt oder umspritzt ist, um die empfindlichen Anschlüsse zu schützen. Schaltkreise und Montagetechniken wurden im Laufe der Jahre verfeinert, sodass ein einfacher ungeregelter Wandler möglicherweise nur etwa zehn diskrete Komponenten verwendet und eine geregelte Version fünfzehn. Da die Herstellung des Transformators und die Modulmontage an einem Standort mit geringen Kosten erfolgen, ist das Produkt einigermaßen effizient und bietet Isolierung, einen großen Betriebstemperaturbereich und eine ziemlich genaue Spannungsumwandlung zwischen festen Pegeln. Ein Vorteil der manuellen Montagemethode besteht darin, dass Produktvarianten für unterschiedliche Eingangs-/Ausgangsspannungen und Nennleistungen im Herstellungsprozess relativ einfach zu realisieren sind, indem der Bediener einfach angewiesen wird, mehr oder weniger Windungen zu wickeln.
Abbildung 3: Die „Royer“-Schaltung als minimale Anzahl von Komponenten für einen isolierten Wandler.
Dieser Ansatz hat unvermeidliche Nachteile. Allerdings führt die manuelle Montage zu Abweichungen zwischen den Proben, und es ist schwierig, in einfachen Schaltkreisen einen vollständigen Fehlerschutz bereitzustellen, und eine Isolierung auf ein zertifiziertes Sicherheitsniveau ist ohne höhere Komplexität, Kosten und größere Gehäusegrößen nicht praktikabel. Ein einfacher Royer-Wandler verfügt über keine Netz- oder Lastregelung und die Ausgangsspannung kann bei sehr geringer oder keiner Last erheblich ansteigen. Darüber hinaus steigen die Arbeitskosten nur mit der Zeit, während die Endkunden Preissenkungen erwarten, und der Arbeitsaufwand sinkt nicht einmal mit dem Produktionsvolumen. Gleichzeitig besteht vom Markt Druck, die Funktionalität und Effizienz zu erhöhen und die Größe von Leistungswandlern zu reduzieren, um sie an moderne, platzbeschränkte Anwendungen anzupassen.
Auf der Suche nach dem Ideal
Um aus diesem Schema auszubrechen, haben sich Energiedesigner das Ideal ausgedacht: die Integration von Steuer-ICs mit einem breiten Funktionsspektrum, einschließlich Hochfrequenz-/Hochleistungsbetrieb mit optionaler integrierter aktiver Regelung und integriertem Schutz. Der Transformator muss Techniken wie maschinell gelegte planare Kerne und gedruckte Wicklungen auf einem mehrschichtigen Substrat verwenden. Die IC-Lösung und der integrierte Transformator haben mit den damit verbundenen erforderlichen Unterstützungskomponenten deutlich höhere Teilekosten als die einfache Royer-Schaltung, aber mit flexibler Montageautomatisierung und Skaleneffekten ist es ein Weg, die Anforderungen des Marktes bestmöglich zu erfüllen Leistung und Konsistenz, mit höherer Leistungsdichte, alles ohne Kosteneinbußen.
Dies ist der Ansatz des österreichischen Herstellers RECOM [2], der damit begonnen hat, diese „Spitzentechnologie“ in DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch zu integrieren, die als „K“-Serie bezeichnet werden. Das Unternehmen investiert stark in die Automatisierung, um die Arbeitskosten erheblich zu senken, und spezifiziert gleichzeitig große Mengen an Substraten und Komponenten, um die Teilekosten auf ein Minimum zu beschränken. Gleichzeitig ermöglichen innovative Designtechniken im flexiblen Herstellungsprozess eine einfache Konfiguration der Produkte für die üblicherweise geforderte Variantenvielfalt.
Beispiele für neue Produkte auf dem Markt
Ein Beispiel für ein Produkt mit der neuen Technologie ist die RECOM RKK-Serie, bei der ein integrierter Controller und ein Planartransformator implementiert wurden, um die Leistung zu verbessern und die Montage vollständig zu automatisieren. Das Unternehmen hat sich aus Kompatibilitätsgründen dafür entschieden, das SIP7-Format beizubehalten und das Teil bei 1 W zu klassifizieren. Dabei nutzt es die höhere Effizienz, um den Betriebstemperaturbereich zu erweitern, der jetzt bis zu 105 °C ohne Leistungsreduzierung beträgt. Die Nennleistung von 1 W ist für viele Anwendungen beliebt, typischerweise zur Stromversorgung isolierter Kommunikationsschnittstellen oder High-Side-Gate-Treiber. Der erweiterte Temperaturbereich erschließt breitere Märkte wie die Industrie- und High-Spec-Automobilindustrie. Eine Zusammenfassung der Unterschiede und Leistungsverbesserungen der RKK-Serie im Vergleich zum Vorgängerprodukt ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Verbesserungen werden deutlich bei einem mengenmäßig reduzierten Verkaufspreis erreicht. Obwohl das neue Produkt nominell ungeregelt ist, gibt es eine gewisse Kompensation für Eingangsspannungsänderungen, beispielsweise weniger als +/-5 % Ausgangsänderung bei +/-10 % Eingangsspannungsschwankung. Ein weiteres Merkmal ist, dass die Teile nicht gekapselt werden müssen, was Gewicht und Kosten spart. Eine Version der Serie verfügt über einen nachgeregelten Ausgang, wenn hohe Präzision erforderlich ist.
Tabelle 1: Zusammenfassung der Unterschiede und Leistungsverbesserungen zwischen den Basis-DC/DC-Wandlern der Serie „RKK“ von Royer und RECOM
Weitere Nachrichten
Die Prinzipien der neuen RECOM-Technologie wurden auch in ihre nicht isolierten DC/DC-Geräte integriert, mit einem Update ihrer beliebten R-78-Serie und einem direkten Ersatz für Linearregler. Bei den neuen Produkten mit der Bezeichnung R-78K wurde der Wirkungsgrad auf 96 % verbessert und der Eingangsbereich auf 36 V erweitert. Die Betriebstemperatur beträgt nun 90°C ohne Reduzierung.
Weitere „K“-Upgrades bestehender RECOM-Produkte sind in Vorbereitung und folgen dem Trend, einfache traditionelle Designs durch fortschrittliche Schaltungstechniken und Fertigungstechnologien zu ersetzen, ohne die Kosten zu erhöhen. Halten Sie Ausschau nach neuen „K-“-Produkten, sobald diese auf den Markt kommen, und profitieren Sie von der „Cutting Edge Technology“.
