In Balance zwischen Miniaturisierung, Leistung und Kosten
Wie Low-Power DC/DC-Wandler durch den Einsatz von Spitzentechnologie dem Trend zur Miniaturisierung folgen
Power Supplies I 29.08.2024
Neue Designs und fortschrittliche Fertigungstechnologien ermöglichen die automatisierte Montage von DC/DC-Wandlern mit niedrigem Stromverbrauch und höherer Leistung ohne Kostennachteil.
Der Hintergrund
Leiterplattenmontierte DC/DC-Wandler mit geringer Leistungsaufnahme sind dem Trend zur Miniaturisierung nicht im gleichen Maße gefolgt wie ICs oder oberflächenmontierbare Bauelemente. Der Hauptgrund dafür ist, dass die magnetischen Bauelemente, die in den meisten Wandlern benötigt werden, über Jahrzehnte hinweg die gleiche Fertigungstechnologie und annähernd die gleiche Größe beibehalten haben. Aber die Miniaturisierung von DC/DC-Wandlern wird wesentlich von den Magnetkernen beeinflusst. Dies liegt an der inhärenten maximalen Flussdichte des Materials und der Betriebsfrequenz, die wiederum die minimale Windungszahl bestimmt. Ihre Größe und Eigenschaften bestimmen den Wirkungsgrad, die Wärmeentwicklung und letztlich die physikalische Größe des Wandlers.
Abbildung: Die Leistungsdichte eines DC/DC-Wandlers mit niedrigem Stromverbrauch hat sich über Jahrzehnte nur um einen kleinen Faktor verbessert. Der linke Wandler mit 1 W Leistung und der rechte 3 W in einem SIP7-Format. (Quelle: RECOM)
Modulare, leiterplattenmontierte DC/DC-Wandler mit niedriger Leistung werden in großen Stückzahlen manuell in kostengünstigen Fertigungsstätten hergestellt. Das hat den Vorteil, dass eine große Anzahl von Varianten in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich produziert werden kann, auch wenn die Herstellung und Montage der magnetischen Komponenten relativ teuer ist. Dieser Ansatz begrenzt jedoch die mögliche Komplexität der Schaltungen, beeinträchtigt die Reproduzierbarkeit und schränkt die elektrische Leistung sowie die Möglichkeiten zur Miniaturisierung ein. Fortschritte in der Materialwissenschaft und im Design tragen dazu bei, diese Einschränkungen zu überwinden.
Lösungen
Durch den Einsatz modernster Schaltungstechnik und Fertigungsautomatisierung ist RECOM heute in der Lage, maschinell gefertigte Produkte anzubieten. Diese können in der Produktion einfach und kostengünstig als alternative Varianten ohne Aufpreis konfiguriert werden und bieten gleichzeitig Leistungsverbesserungen. Dazu gehören breitere Eingangsspannungs- und Temperaturbereiche sowie höhere Isolationswerte, so dass einzelne Komponenten für ein breiteres Anwendungsspektrum geeignet sind. Dadurch verringert sich die Anzahl der benötigten Varianten, was zu einer höheren Wirtschaftlichkeit in der Fertigung und für den Endanwender führt.
Ermöglicht wird dies durch die Verwendung von Planartransformatoren – für niedrige Montagekosten und Reproduzierbarkeit, den Verzicht auf das Vergießen ausgewählter Teile – zur Einsparung von Materialkosten und Gewicht, und die Einführung der Synchrongleichrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades, die einen größeren Temperaturbereich und Energieeinsparungen ermöglicht.
Beispiele
Die neue RECOM-Technologie wurde in mehrere Baureihen integriert wie etwa in die isolierten DC/DC-Wandler der K-Serien (z. B. RKK). Sie bieten eine optimierte Isolierung, eine höhere Zuverlässigkeit und einen größeren Eingangsspannungsbereich, und das bei gleichen Kosten.
Vorteile der K-Serie:
• Industriestandard Pinbelegung/Gehäusegrößen ermöglicht einen Austausch ohne Änderungen an der Leiterplatte.
• Hoher Wirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich ohne Mindestlastanforderungen.
• Breiter Betriebstemperaturbereich von bis zu 105°C ohne Derating.
• 4kVDC/1s oder 3kVDC/1min Isolierung.
• Short Circuit Protected (SCP) mit Enable-Pin für die Ein-/Aus-Fernsteuerung.
• Robustere Pins für verbesserte Stoß- und Vibrationsfestigkeit.
• Geringeres Gewicht zur Reduzierung von Transportkosten und CO2-Emissionen.
• Sicherheitszertifizierung nach 62368-1.
• Mean Time Between Failures (MTBF) von 2,5 Mio. Stunden.
Zudem wurde die RKK-Serie, die aus Kompatibilitätsgründen auch im SIP7-Format gebaut wird, mit einer integrierten Steuerung und einem Planartransformator ausgestattet, um die Leistung zu verbessern und die Montage vollständig zu automatisieren. Der Wandler muss nicht gekapselt werden, was Gewicht und Kosten spart. Mit einer Leistung von 1W eignet sich die RKK-Serie für viele Anwendungen, die typischerweise isolierte Kommunikationsschnittstellen oder High-Side-Gate-Treiber versorgen. Der verbesserte Wirkungsgrad wird genutzt, um den Betriebstemperaturbereich auf bis zu 105°C ohne Derating zu erweitern, was breitere Märkte erschließt, z. B. hochspezialisierte Industrie- und Automobilanwendungen. Für Anwendungen, die eine hohe Genauigkeit erfordern, steht ein nachgeregelter Ausgang zur Verfügung.
Eine technologische Verbesserung haben auch die nicht isolierten DC/DC-Wandler der Serie R-78 erfahren, welche nun als R-78K erhältlich sind. Als Folge ist der Wirkungsgrad auf bis zu 96% angestiegen und der Eingangsspannung auf 36V erweitert. Die Betriebstemperatur beträgt nun 90°C ohne Derating.
Weitere „K“-Upgrades bestehender RECOM-Produkte sind erhältlich und folgen dem Trend, einfache traditionelle Designs durch fortschrittliche Schaltungstechniken und Fertigungstechnologien zu ersetzen, ohne die Kosten zu erhöhen.
Bei Schukat
Schukat electronic bietet Stromversorgungen von RECOM und anderen Herstellern an. Rund 6.000 verschiedene Typen an Netzteilen und DC/DC Wandlern bevorratet Schukat in produktionsgerechten Mengen in seinem automatisierten Zentrallager in Monheim am Rhein.
Wir leisten zudem schnelle und kompetente Unterstützung in Form von direkten Ansprechpartnern und beschäftigen ein kompetentes Außendienstteam für die Problemlösung vor Ort. Unsere Kunden profitieren von einer raschen Bearbeitung der Anfragen, der Bereitstellung von Datenblättern und Mustern sowie von unterschiedlichen Liefermengen vom Muster bis zur Serienfertigung.