Design-Herausforderungen bei PCB-bestückten AC/DC-Wandlern

Symbole, die verschiedene Anwendungen moderner Stromversorgungs- und Energielösungen darstellen.
Ein PCB-bestücktes AC/DC-Netzgerät wird oft lediglich als ‘eine weitere’ Standardkomponente betrachtet, von der erwartet wird, dass sie bei fortschreitender Technologie kleiner und kostengünstiger wird und gleichzeitig ihre Leistung verbessert. Diese miniaturisierten Wandler stehen jedoch vor schwierigen Design-Herausforderungen mit immer größeren Bereichen der Eingangsspannung, Betriebstemperatur sowie immer strengeren Standards für Sicherheit und Energieeffizienz. Dieser Artikel beleuchtet die Kompromisse zwischen diesen Spezifikationen und wie Produkte der neuesten Generation eine Kombination aus Leistung, Größe und Kosten erreichen, die sie vielseitig einsetzbar macht.

AC/DC-Wandler sind in den letzten Jahren zunehmend effizienter geworden, kommen mit geringerer Oberfläche aus und folgen dem allgemeinen Trend zur Miniaturisierung der Elektronik. Speziell bei AC/DC-Wandlern für die Leiterplattenmontage wurden damit manche Spezifikationen hinsichtlich Sicherheit und thermischer Ableitung problematisch, weil die Größe abnimmt und die Energiedichte steigt.

Warum Sperrwandler-Designs für geringe Leistungen üblich sind

Sperrwandlerschaltung in einem typischen AC/DC-Wandler mit geringer Leistung
Abb. 1: Sperrwandlerschaltung in einem typischen AC/DC-Wandler für geringe Leistung
Die Reduzierung der Kosten eines PCB-bestückten AC/DC-Wandlers führt naturgemäß zu einer Topologie mit einer möglichst geringen Anzahl von Bauteilen. Unter etwa 10W wird das ausnahmslos ein Sperrwandler (Flyback-Wandler) mit einem integrierten Leistungstransistor und Transformator (oder exakter einer gekoppelten Induktivität) mit einer einzelnen Diode und einem Kondensator für jeden Ausgang sein. Ein Steuer-Schaltkreis erfasst die Ausgangsspannung direkt (Primärseitenregelung) oder indirekt (Sekundärseitenregelung über einen Opto-Koppler) und gibt der Leistungsstufe Rückmeldung in Form einer Pulsweiten- oder Frequenz-Modulation bzw. manchmal auch beidem. Normalerweise gibt es zusätzliche Filterkomponenten zur Verringerung elektromagnetischer Störungen auf die gesetzlich vorgegebenen Werte und einen ‘Bulk’-Kondensator zur Bereitstellung von Energie für die Überbrückungszeit bei Netzausfällen (siehe Abbildung 1).

Die elektrische ‘Barriere’ zwischen der netzseitig hohen Wechselspannung und dem Ausgang wird gebildet durch festes Isoliermaterial oder einen entsprechenden Trennabstand durch Luft und über Oberflächen. Bauelemente, welche die Barriere überqueren, wie ein Transformator oder Opto-Koppler, werden so konstruiert, dass sie ausreichende Isolation gemäß den internationalen Sicherheitsstandards erfüllen.

Die Einfachheit von Flyback-Wandlern hat jedoch einen Nachteil: Interne Spannungen können hoch sein, typisch 600V oder mehr am Schalter, und einige Bauteile werden durch hohe Rippelströme beansprucht. Die Ausgangskondensatoren müssen beispielsweise mit Spitzenrippelströmen zurechtkommen, die 1,5 bis 2 mal so hoch wie der DC-Ausgangsstrom sein können. Dieser hohe Rippelstrom führt zu Verlustleistung im Kondensator-ESR und erhöht dessen Temperatur. Je nach Betriebsart können auch die Spitzen- und Effektivwerte des primären Schaltstroms überraschend groß sein, und da Hochspannungsschalter relativ hohe Einschaltwiderstände haben, wird der Wirkungsgrad verringert und es entsteht Verlustleistung sowohl im Schalter als auch im Eingangskondensator, der die AC-Komponente des Eingangsstroms liefert.

Es gibt jedoch zahlreiche Designdaten in Büchern und IC-Anwendungshinweisen, die es selbst einem Anfänger ermöglichen, die Komponentenwerte für einfache Sperrwandler auszuwählen. Bei ausreichender Kenntnis der Regeln für Hochfrequenz-Layouts und den Transformatoraufbau ist es nicht allzu schwierig, ein funktionierendes Produkt zu bauen. Wenn die Größe nicht priorisiert wird, ist das Einhalten der Sicherheitsabstände einfach und es gibt genügend Platz für einen freien Luftstrom zur Wärmeableitung. Die Bauelemente können zudem groß und konservativ ausgelegt sein, um die funktionale und elektromagnetische Verträglichkeit zu garantieren. Eine Version der Sperrwandler-Topologie ist in nahezu jedem Handy-Ladegerät verbaut, und zeigt, welches Maß an Miniaturisierung der Elektronik möglich ist. Diese Produkte arbeiten allerdings nur in begrenzten Temperaturbereichen, von etwa 0 – 40°C im Haushalt oder im Büro.

Wenn andererseits Platz und Kosten begrenzt sind oder der AC/DC-Wandler im Inneren von Geräten arbeiten muss, sind die Herausforderungen beträchtlich. Wenn die Anwendung Industriequalität erreichen muss, kann es für feuchte oder schmutzige Umgebungen zusätzliche Anforderungen an die Sicherheitsabstände geben und deutlich höhere transiente Überspannungen, die zusammen mit viel größeren Temperaturbereichen von -40°C bis +75°C und mehr zu bewältigen sind. Die Bereiche der Eingangsspannung können sehr weit sein. Ebenso können die Erwartungen an Zuverlässigkeit und Lebensdauer im Vergleich zu kommerziellen Produkten sehr hoch sein. Außerdem kann ein Betrieb in größerer Höhe notwendig sein, der sich auf die Sicherheitsabstände auswirkt.

Praktische Design-Einschränkungen

Eine praktische Grenze der Miniaturisierung sind die Mindest-Sicherheitsabstände gemäß Standards wie EN 62368-1 für IT/Medien und EN 60335-1 für Haushaltsgeräte, die mindestens 9mm Abstand zwischen Eingang und Ausgang sowie 4mm Kriechstrecke bei Systemen mit 250VAC erfordern. Das gilt für den schlimmsten Verschmutzungsgrad und die schlechteste Materialgruppe und kann gelockert werden durch gekapselte Geräte, beschichtete Platinen und durch Werkstoffe mit einem hohen Comparative Tracking Index (CTI). Dies veranschaulicht, dass ‘sichere’ Standard-Kriechstrecken in einem Wandler, der möglicherweise nur etwa 25mm breit ist, praktisch nicht umzusetzen sind. Das bedeutet, dass ein sorgfältiges Design erforderlich ist, um die Spielräume innerhalb der Spezifikation optimal auszuschöpfen und die regulatorisch vorgeschriebenen Mindestabstände durch Einschnitte in der Leiterplatte oder durch das Hinzufügen von Trennelementen bzw. Abdeckkappen über kritischen Bauteilen einzuhalten.

Die Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken sind auch für den Transformator problematisch. Große Transformatoren für hohe Leistungsübertragung können aus üblichem Lackdraht innerhalb isolierender Band-‘Ränder’ gewickelt werden und damit eine typische Kriechstrecke von 6mm zwischen primären und sekundären Wicklungen garantieren. Bei geringer Leistung, wo die Wicklungsbreite einer Spule nur wenige Millimeter betragen kann, funktioniert dieser Ansatz eindeutig nicht. Eine Lösung ist die Verwendung von sicherheitszertifiziertem ‘dreifach isoliertem Draht’ (TIW), der eine überlappende spiralförmige Isolationshülle hat und an jedem Punkt mindestens drei Schichten garantiert. Die Bildung einer EMI-Abschirmung ist jedoch noch ein Problem, wobei einige Konstruktionen eine halbe Wicklung des TIW-Drahts verwenden, bei dem ein Ende nicht abgeschlossen, aber sorgfältig isoliert ist.

Auch der Bulk-Speicherkondensator am Eingang ist ein Bauelement, das sich einer Miniaturisierung widersetzt. Er sorgt für die Glättung der DC-Busspannung und liefert die Energie zur ‘Überbrückung’ während Netzzyklus-Ausfällen oder Unterbrechungen. Eine typische professionelle Anforderung ist es, den Betrieb über 20ms (ein Netzzyklus bei 50Hz) von der Nenneingangsspannung von 115V oder 230VAC aufrechtzuerhalten. Die am Kondensator anliegende Spannung bei beispielsweise gleichgerichteten 115VAC beträgt im Mittel etwa 150V mit um die 20V Welligkeit durch die Netzfrequenz. Wenn die Versorgung unterbrochen wird, entlädt sich der Kondensator und der Wandler muss mit der sinkenden Spannung noch 20ms arbeiten. Praktisch kann der Wandler bis auf etwa 70V herunter arbeiten. Für einen Wandler mit 75% Wirkungsgrad mit 5W Ausgang können wir den Energieverlust im Kondensator mit der in 20ms benötigten Energie gleichsetzen:

Gleichung für die Energiespeicherung in Kondensatoren unter Berücksichtigung von Leistung, Zeit und Wirkungsgrad

Gleichung 1

Das würde einen Kondensator mit 18µF erfordern, der für die höchste AC-Eingangsspannung auf 400V ausgelegt sein müsste. Die kleinste Ausführung ist ein Aluminium-Elektrolytkondensator, und selbst der hat ein Volumen von etwa 3cm³ oder größer, wenn eine Hochtemperatur-Version gewählt wird. Eine für viele Sperrwandler anwendbare Daumenregel zur 20ms-Überbrückung ist die Anforderung von mindestens 2µF/Watt für einen weiten Eingangsbereich und 1µF/Watt bei reinem Betrieb mit 230V Nennspannung. Kleinere Kapazitätswerte würden das Problem verschlimmern, da die Rippelspannung ohnehin größer wäre, was den Spannungs-Headroom verringert und bei Ausfällen einzelner Netzzyklen zu Einbrüchen der Ausgangsspannung führt.

PCB-bestückte AC/DC-Wandler können leitungsgeführte EMI-Werte erzeugen, die denen von Hochleistungsprodukten nahekommen, weil sich Gleichtaktstörungen nicht direkt mit der Leistung skalieren – sie entstehen hauptsächlich durch hohe interne dV/dt-Werte gekoppelt mit Streukapazitäten, die in jeder Schaltung auftreten. Einfache Konstruktionen für geringe Leistung können deshalb EMV-Filter zur Einhaltung der Emissionsnormen erfordern, die größer als der Wandler selbst sind. Entwickler von Steuer-ICs gehen das Problem durch eine Steuerung von dV/dt mit resonanten oder semi-resonanten Topologien und Techniken wie ‘Frequenz-Dithering’ an, welche die durchschnittlich auftretenden elektromagnetischen Störungen in der Bandbreite der Standard-Messempfänger verringern.

PCB-bestückte AC/DC-Wandler sind häufig als ‘Class II’ Geräte ohne eine primäre Erdungsverbindung ausgeführt, wobei ihre Ausgänge in realen Anwendungen oft geerdet werden und somit einen Pfad für leitungsgeführte Gleichtaktstörungen bieten. ‘Y’-Kondensatoren von Primär- zur Sekundärseite können Hochfrequenz-Störungen verringern, aber können nicht groß dimensioniert werden, wenn der Ausgang nicht geerdet wird da sonst gefährliche AC ‘Berührungsströme’ durch den Benutzer fließen könnten. Einige Haushaltsnormen erfordern sehr geringe Kapazitätswerte und zwei in Reihe geschaltete Y-Kondensatoren, falls ein Bauelement ausfällt (z.B. EN 60335). Der Einbau von zwei Serienkondensatoren mit jeweils den vollen Sicherheits-Kriechstrecken zwischen den Pins in einem Miniaturgehäuse ist äußerst schwierig und es wird oft dem Anwender überlassen, diese extern anzuschließen, um die EMV-Konformität zu erreichen.
Class II Anwendungen können zwei ‘Y’-Kondensatoren erfordern
Abb. 2: Class II Anwendungen können zwei ‘Y’-Kondensatoren für EMV und Sicherheitsstandards erfordern
Eine zunehmend übliche Anwendung erfordert, dass AC/DC-Wandler geringer Leistung aus Nennspannungen von 277VAC und Spitze 305V versorgt werden. Das ist die Leiter-Nullleiter-Spannung in dreiphasigen 115-VAC Systemen, die in den USA und Asien häufig in großen Gebäuden verwendet werden. Die höhere Spannung erfordert auch größere Abstände und spannungsmäßig höher eingestufte Bauelemente als in Systemen mit 230VAC und auch robustere Bauelemente; der Bulk-Kondensator muss nun für mindestens 450VDC eingestuft sein. Bei kleinen Wandlern verschärft dies das Platzproblem. Noch härtere Anforderungen ergeben sich beim Betrieb direkt von 480VAC (525VAC Spitze), wenn dasselbe Netzteil bis hinunter auf 85VAC funktionieren muss, der Mindesttoleranz von 100-VAC-Systemen. Die hohe Spannung und der extreme Eingangsbereich erhöhen die Schwierigkeiten bei den Komponentenbeanspruchungen und Sicherheitsabständen vor allem dann, wenn geringe Größe, niedrige Kosten und hoher Wirkungsgrad Bestandteil der Spezifikationen sind.

Ein manchmal übersehener Faktor ist die Betriebshöhe; Standardtabellen für Luftstrecken in Leistungswandlern gelten typisch für bis zu 2000m. In größeren Höhen nehmen diese erheblich zu. Gemäß EN 62368-1 (Abbildung 3) werden die Luftstrecken für 5000m mit einem Faktor 1,48 multipliziert (das mag extrem erscheinen, aber acht Hauptstädte liegen weltweit höher als 2000m). Außerdem befinden sich viele Lungenkliniken in großer Höhenlage. Die Auslegung für Höhenlagen über 2000m ist deshalb üblich und macht die Konstruktion in kleinem Bauraum schwieriger.

Höhenabhängige Multiplikatoren für Abstand und Prüfspannung (Quelle EN 62368-1)

Abb. 3: Höhenabhängige Multiplikatoren für Abstand und Prüfspannung (Quelle EN 62368-1)

Von AC/DC-Wandlern für Leiterplattenmontage wird erwartet, dass sie in derselben thermischen Umgebung wie die anderen Bauelemente auf der Leiterplatte arbeiten, normalerweise ohne spezielle Kühlkörperanordnungen. Wie wir gesehen haben, erschweren hohe Rippelströme einen hohen Wirkungsgrad. Ein wesentlicher Teil der Produktgestaltung ist daher die Steuerung der inneren Temperaturen, so dass die maximale Leistung bis zu einer möglichst hohen Umgebungstemperatur abgegeben werden kann. Wenn die Gehäusegrößen schrumpfen, verringert sich die wirksame Oberfläche zur Wärmeableitung, was das Problem verschärft.

Modulare AC/DC-Wandler-Lösungen

Ein Hersteller, der sich der Herausforderung gestellt hat, kostengünstige, PCB-bestückte AC/DC-Wandler mit Industrie-Spezifikationen in kleinen Abmessungen zu entwickeln, ist RECOM [1]. Ihr Sortiment reicht von 1W bis 30W, wobei alle Produkte von mindestens 85VAC bis 264VAC arbeiten. Einige Modelle arbeiten bis 305VAC und ein 5W-Produkt, das (RAC05-K/480), arbeitet bis zu 525VAC. Die Bauteile sind für den Betrieb bis zu 5000m Höhenlage sowie Betriebstemperaturen von -40°C und bis zu +90°C mit Derating ausgelegt. Die Größen reichen von branchenführenden 22,5mm x 27,94mm x 18mm für ein neues 3W-Teil bis hin zu einem 20W Modul mit immer noch nur 25,4mm x 50,8mm x 23mm. Einzigartig im Sortiment sind 3W, 18W und 30W Teile in runden Gehäusen für die Integration in Standard-Unterputzdosen, wobei das 3W-Modul eine extrem flache Bauhöhe von 11mm aufweist. Alle Teile der Baureihe haben die Sicherheitszertifizierungen EN 60950 oder EN 62368 ITE, die meisten haben ebenso die Haushaltszertifizierung EN 60335, während die runden 18W- und 30W-Teile zudem über eine Medizinzertifizierung und über Kabelanschlüsse verfügen. Abbildung 4 fasst die Baureihe zusammen.

Die Baureihe platinenmontierter AC/DC-Produkte von RECOM

Abb. 4: Die Baureihe PCB-bestückter AC/DC-Produkte von RECOM
  Serie
1 AC/DC, 5 W, Single Output, THT RAC05-K/480 Series
Fokus
  • Ultra-wide input range 85-528VAC
  • OVC III input rating without additional fuses
  • Operating temperature range: -40°C to +80°C
  • Overvoltage and overcurrent protected