Am Punkt der Last
Point-of-Load DC/DC-Wandler mit hohem Wirkungsgrad für Energieanwendungen
Power Supplies I 26.09.2024
Steigende Anforderungen an Wirkungsgrad, Wärmemanagement und Einschwingverhalten haben zu Verbesserungen in der Architektur von Stromversorgungen geführt. Schlüsselkomponenten dieser neuen Ansätze sind hocheffiziente PoL-DC/DC-Wandler.
Abbildung 1: Neue Point-of-Load DC/DC-Wandler-Familien von RECOM (Quelle: RECOM)
Eine Stromversorgung hat die Aufgabe der Bereitstellung und Verteilung elektrischer Energie an elektrische Geräte oder Systeme. Sie sorgt dafür, dass die an die Verbraucher gelieferte Spannung und der Strom innerhalb bestimmter Toleranzen liegen. Dies wird durch die möglichst effiziente Umwandlung einer Eingangsspannung (AC/DC) in eine oder mehrere Ausgangsspannungen mit niedrigerer Spannung (DC) erreicht. Ein typisches Design beginnt mit einem AC/DC-Wandler mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC), um die aus dem Wechselstromnetz verfügbare Leistung zu maximieren und die verschiedenen gesetzlichen Anforderungen an den Leistungsfaktor zu erfüllen.
Die zentralisierte Stromversorgungsarchitektur (Centralized Power Architecture, CPA) ist wirksam, wenn die Spannungen hoch und die Ströme niedrig sind, oder wenn die Entfernungen zwischen der Stromversorgung und den Lasten kurz sind. Allerdings basieren viele der heutigen Anwendungen auf digitalen Geräten wie Mikroprozessoren, Speichermodulen, digitalen Signalprozessoren oder anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen mit kleinen Geometrien, die mehrere niedrige Spannungen mit hohen Strömen benötigen.
Das Design von DC/DC-Modulen hat sich von dieser sperrigen und oft ineffizienten zentralen Stromversorgungsarchitektur (Centralized Power Architecture, CPA) zu einer kompakten und effizienten dezentralen Architektur (Distributed Power Architecture, DPA) und Intermediate Bus Architecture (IBA) entwickelt. Beide zielen darauf ab, Leistungsverluste, die hauptsächlich in Form von Wärme entstehen, zu minimieren, wenn Strom über eine Widerstandsverbindung übertragen wird, sei es ein Draht, eine Stromschiene oder eine Leiterplatte.
Hier kommen die Point-of-Load DC/DC-Wandler (PoL-Wandler) ins Spiel. Dabei handelt es sich um spezielle DC/DC-Wandler, die die Spannung direkt am Verbrauchsort (d.h. an der Last) regeln. Dadurch werden Spannungsverluste durch lange Leitungen oder Kabel minimiert und ein hoher Wirkungsgrad gewährleistet.
Sie sind für den Einsatz in Energiesystemen besonders interessant, da sie schnell auf Laständerungen reagieren können – wichtig ist das vor allem in Systemen mit stark schwankenden Lasten. Hier punkten die PoL-DC/DC-Wandler mit ihren Vorteilen:
• Effizienzsteigerung: Da die Spannungsregelung direkt am Bedarfspunkt erfolgt, werden Verluste durch lange Übertragungswege minimiert, was die Gesamteffizienz des Energiesystems erhöht.
• Verbesserte Leistungsqualität: Die Nähe zur Last gewährleistet eine stabilere und präzisere Spannungsversorgung, was die Leistung und Lebensdauer der angeschlossenen Geräte verbessert.
• Flexibilität und Skalierbarkeit: PoL-Wandler ermöglichen eine einfache Skalierbarkeit und Anpassung an unterschiedliche Lastanforderungen.
• Schnelle Reaktionszeit: PoL-Wandler lassen sich gut in intelligente Energiemanagementsysteme integrieren, die dynamisch auf Laständerungen und Energiebedarf reagieren können.
• Kosteneffizienz: Die Reduzierung von Leistungsverlusten und der verbesserte Wirkungsgrad führen zu einer Senkung der Betriebskosten. Zudem spart die kompakte Bauweise Platz und damit Kosten.
Produkte und Beispiele
Mit dem RPMGQ-20 und dem RPMGS-20 bietet RECOM zwei neue Serien von kostengünstigen und hocheffizienten DC/DC-Wandlern an, die sich besonders für 24V-, 28V- und 48V-Stromschienen als PoL-Lösung in einer DPA geeignet sind. Diese durchkontaktierten, nicht isolierten DC/DC-Abwärtswandler bieten eine Ausgangsleistung von 20 A und weitere Features wie folgt:
• Platzsparendes Design: Der RPMGQ-20 kommt im Industriestandard Quarter-Brick-Format, und der RPMGS-20 in der aufkommenden Standardgehäusegröße von 36,83 mm x 34,04 mm (1,45“ x 1,34“) mit einem Standard-Sechzehntel-Brick-Pin-out. Beide Produkte haben eine maximale Höhe von 15 mm ab ihrer Montagefläche, was die Integration in verschiedene Systeme erleichtert.
• Flexibel und skalierbar: Die Bauteile arbeiten mit einer Eingangsspannung von 18 V bis 75 V, die Ausgangsspannung beträgt wahlweise 5 V oder 12 V, sie lässt sich über einen weiten Bereich von 3,3 V bis 8 V bzw. 8 V bis 24 V trimmen.
• Hohe Effizienz: Der Wirkungsgrad der RPMGQ-20- und RPMGS-20-Bausteine ist sehr hoch und erreicht Spitzenwerte von 98 % bei den Versionen mit 12 V-Ausgang und 94% bei den Versionen mit 5 V-Ausgang, wobei die Wirkungsgradkurve bis zu einer Last von etwa 10 % nahezu flach verläuft.
• Erweiterte Einsatzmöglichkeiten: Aufgrund der geringen Verluste und des fortschrittlichen thermischen Designs können alle Versionen bis zu einer Umgebungstemperatur von über 90°C unter Volllast betrieben werden, mit einem Derating bis zu 120°C.
• Erweiterte Schutzfunktionen: Die Produkte bieten umfassenden Schutz gegen Eingangsunterspannung, Ausgangsüberstrom, Kurzschluss und Übertemperatur, um die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Systems zu erhöhen.
• Geringe Restwelligkeit: Die Wandler bieten eine geringe Ausgangswelligkeit, was besonders für empfindliche Elektronik wichtig ist.
Durch ihre Effizienz, Flexibilität und die Möglichkeit der direkten Spannungsregelung eignen sich die beiden neuen Baureihen besonders für den Einsatz in modernen, komplexen Energiesystemen. In Rechenzentren sorgen sie dafür, dass die verschiedenen Komponenten wie Prozessoren, Speicher und Netzwerkgeräte effizient und stabil mit der benötigten Spannung versorgt werden. In Telekommunikationsanlagen stellen sie eine zuverlässige Spannungsversorgung für empfindliche Elektronik sicher und tragen zur Verbesserung der Systemstabilität bei. In industriellen Anwendungen verbessern PoL-Wandler die Energieeffizienz und die Leistungsqualität von Steuerungen und Maschinen. In Solaranlagen und anderen regenerativen Energiesystemen helfen PoL-Wandler, die Energie effizient zu nutzen und Verluste zu minimieren.
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.