Distributed DC-Power
Wann modulare Wandler besser sind

Die Zeiten, in denen man Zeit für die Entwicklung spezieller Netzteile hatte, sind längst vorbei. 5 Volt ‚von der Stange‘ und ‚Distributed DC-Power‘ auf den PCB’s ist effizienter und zuverlässiger. Zwar werden hierfür meist noch ‚diskret‘ aufgebaute DC/DC-Wandler eingesetzt, aber ‚modulare Wandler‘ sind auf dem Vormarsch. Glaubt man einer internen Studie des Wandler-Pioniers Recom, wird sich ihr Anteil bis 2015 verdreifachen.
Während bessere Effizienz und hohe Zuverlässigkeit schon lange für den Einsatz von modularen DC/DC-Wandlern sprechen, standen die Kosten insbesondere bei großen Stückzahlen bislang dagegen. Aber die Dinge sind in Fluss geraten. Während die Entwicklungskosten steigen, sinken die Preise für fertigt zertifizierte Module mit steigender Stückzahl. Spätestens dann, wenn Aspekte wie ‚Time to Market‘ in die Betrachtung einfließen, haben modulare Wandler die Nase vorn.

Time to Market spricht für modulare Wandler

Verzögert nämlich ein notwendig werdendes Re-Design nebst Zertifizierung die Markteinführung, sind die Kosten in Form entgangenen Gewinns immens. Denn der kommerzielle Erfolg eines Produkts ist mehr denn je davon abhängig, wie frühzeitig es auf den Markt kommt. Wer auf fertige Module setzt, spart nicht nur Zeit – er reduziert auch das Risiko. Fällt nämlich ein Produkt bei der Zertifizierung durch, weil der diskret aufgebaute Spannungswandler plötzlich mehr Störungen produziert als erlaubt, liegt die Verzögerung wegen eines notwendig werdenden Re-Designs eher im Bereich von Monaten als von Wochen. Und das ist keine Seltenheit. Denn in der Praxis kämpft der Entwickler bei DC/DC-Wandlern permanent mit dem Grundprinzip der Analogtechnik, wonach die Dinge weder schwarz noch weiß sind. Leiterbahnen werden zu Kapazitäten und Induktivitäten, die so nicht im Schaltplan stehen. Hinzu kommt, dass die Performance des Trafos nicht nur vom Ferritmaterial abhängig ist, sondern auch davon, in welchem Bereich der Hysteresekurve er betrieben wird. Da dies rechnerisch schwer in den Griff zu bekommen ist, erfordert die Entwicklung eines Wandlers mit hohem Wirkungsrad und niedrigen Störpegeln eine Menge Erfahrung. Selbst als Spezialist mit der Erfahrung von vielen Millionen produzierten Wandlern setzt Recom für die Entwicklung einer neuen Produkt-Familie mehrere Monate an. Besonders zeitraubend ist dabei die Optimierung des Designs – eine Arbeit, die bei der Entwicklung diskreter Lösungen fast zwangsläufig zu kurz kommen muss.

Modulare Wandler sind effizienter und zuverlässiger

Seit niedriger Energieverbrauch zum Kaufargument geworden ist, kämpfen Entwickler mit knapper werdenden Energiebudgets. Dabei müssen sie die vielen Spannungswandler im Auge behalten, die innerhalb eines Designs zum Einsatz kommen. Ein Beispiel aus der Praxis: In einer Steuerung kommen drei Kaskaden mit jeweils 12 diskret aufgebauten 2 Watt-Wandlern zum Einsatz. Ihr Wirkungsgrad liegt knapp über 70%. Die Nutzleistung von insgesamt 72W wird in Summe mit rund 30W Leistungsverlust erkauft. Ein auf maximale Effizienz getrimmtes, fertiges Modul wie der R2S0505 von Recom (Abb.2) bringt es in derselben Applikation auf einen Wirkungsgrad von 85% und damit auf einen Energieverlust von weniger als 13 Watt – eine Einsparung von 140% gegenüber der weniger optimierten Eigenentwicklung. Da der Wirkungsgrad der Wandler in der Regel unter Volllast die besten Werte erreicht, können die Unterschiede bei halber Last oder weniger noch gravierender sein. Modulare DC/DC-Wandler gehen aber nicht nur mit Energie sparsamer um als diskret aufgebaute – sondern auch mit dem Platz. Und der ist angesichts eines ungebrochenen Trends zur Miniaturisierung wertvoll. Allein durch ihren kleineren ‚Fußabdruck‘ auf der Platine rechtfertigen modulare Wandler oft schon die etwas höheren Materialkosten. Hinzu kommt, dass modulare Wandler meist unanfälliger sind gegen Umwelteinflüsse einschließlich Schock und Vibration. Beim Thema ‚Effizienz‘ geht es nicht nur um Einsparungen bei Energie und Platz, sondern indirekt auch um Erwärmung und die zulässige Betriebstemperatur des gesamten Designs. 18 Watt weniger Verlustleistung im zuvor genannten Beispiel sorgen für niedrigere Temperaturen innerhalb des Gehäuses. Außerdem erlaubt eine geringere Eigenerwärmung höhere Betriebstemperaturen der Wandler. So arbeitet der im Beispiel genannte 2 Watt-Wandler R2S bei Umgebungstemperaturen bis +100°C ohne ‚Derating‘. Der Aufwand für Kühlung sinkt, auf Lüfter kann möglicherweise komplett verzichtet werden.

Vier neue ‚Low Power‘-Wandler mit 0.25W bis 2W Leistung

Wie bereits zuvor beschrieben sinkt der Wirkungsgrad von DC/DC-Wandlern mit der Auslastung. Gut optimierte Wandler erreichen zwar auch bei 20% Last noch Werte über 70% – aber bei noch geringerer Last tendiert er rasch gegen Null. Deshalb ist es sinnvoll, Wandler in der oberen Hälfte ihrer Nennleistung zu betreiben. Recom bietet deshalb ein fein abgestuftes Programm an SMD-Wandlern mit Leistungen von 0.25W (R0.25S), 0.5W (R0.5S), 1W (R1S) und 2W (R2S) an, sodass für jede Applikation ein optimales Produkt verfügbar ist. Die neuen Wandler arbeiten auch bei niedriger Auslastung sehr effizient. Die ungeregelten, isolierten Wandler sind ideal für Embedded-Applikationen, bei denen hohe Effizienz, breiter Temperaturbereich und gute Isolation benötigt werden. Sie sind mit Ausgangsspannungen von 3.3, 5, 9, 12 und 24VDC erhältlich – wahlweise mit 1 oder 2 Ausgängen. Sie entsprechen einschlägigen Sicherheitsstandards wie EN/UL 60950-1 und sind für einen langen, störungsfreien Einsatz konzipiert. Die MTBF ist mit Werten von 3 bis 4 Millionen Stunden spezifiziert, die Gewährleistungsfrist beträgt 3 Jahre. Für den Test und die Optimierung seiner Wandler betreibt Recom in Gmunden, Österreich ein gut ausgestattetes Umweltlabor, in dem bereits Prototypen in einem frühen Stadium s.g. HALT-Tests unterzogen werden, in denen das Langzeitverhalten eines Moduls unter erschwerten Bedingen simuliert wird. Entsprechend hoch ist die Lebenserwartung der Wandler.

Resumee

Der Trend, diskret aufgebaute Spannungswandler zunehmend durch zertifizierte Module zu ersetzen, hält unvermindert an. Der Kunde spart neben wertvoller Entwicklungszeit auch viel Platz auf der Platine und bekommt in der Regel ein Produkt mit deutlich besseren Leistungsdaten – insbesondere bei der Effizienz. Diese Vorteile wiegen den etwas höheren Preis auf. Die ‚Total Cost of Ownership‘ spricht zunehmend auch bei höheren und hohen Stückzahlen für die modulare Lösung.