Maximale Effizienz und Leistung aus DC/DC-Wandlern herausholen

Als Module waren Single-In-Line-Pin-Versionen (SIP) mit Durchgangsbohrung sehr beliebt. Die frühesten Versionen lieferten eine ungeregelte Ausgangsleistung von etwa 1W in einem kompakten SIP7-Format, was für viele der genannten Anwendungen ausreichte. Im Laufe der Jahre hat die Leistungsdichte stetig zugenommen, sodass ungeregelte 3W heute auch im kleineren SIP4-Format erhältlich sind (Abbildung 1).


Bald darauf waren vollständig geregelte Bauteile erhältlich, zunächst mit selbstoszillierenden Sperrschaltungen mit variabler Frequenz, um eine minimale Anzahl an Bauteilen zu ermöglichen. Die neuesten Versionen sind dagegen typischerweise IC-basiert und arbeiten mit fester Frequenz für einen optimalen Wirkungsgrad über einen größeren Lastbereich. Dadurch werden eine hohe Leistungsdichte, ein 4:1-Eingangsbereich sowie Funktionen wie Ausgangstrimmung und Ein/Aus-Steuerung möglich.

Zu Beginn waren 2W in einem DIP24-Paket die Norm, doch schon bald kamen SIP7- und SIP8-Versionen mit 2W, 3W und 6W auf den Markt. Mittlerweile wurde die 12W-Marke erreicht. Aufgrund der gestiegenen Leistungsdichte werden die Module nicht mehr nur als Hilfsstromversorgung eingesetzt, sondern zunehmend zur Versorgung ganzer Subsysteme und sogar kompletter Produkte.

Als wichtigste Leistungsumwandlungsstufe erlangt die zertifizierte Isolierung zunehmend an Bedeutung. Da SIP7- oder SIP8-Gehäuse ausreichend große Kriech- und Luftstrecken zwischen Eingangs- und Ausgangspins ermöglichen, geht der Trend dahin, die Leistung dieser Gehäuse zu erhöhen, anstatt die Modulgröße bei gleicher Leistung weiter zu verkleinern.

Da immer mehr SIP8-DC/DC-Module mit verbesserter Leistungsdichte eingeführt werden, greifen einige Anbieter zu optimistischen Angaben, um scheinbar mit Branchenführern mitzuhalten. Die beworbene Leistung ist jedoch oft nur mit starkem Derating verfügbar. So kann ein Bauteil mit 9W Nennleistung die volle Leistung nur liefern, wenn die Gehäusetemperatur auf einem unrealistisch niedrigen Niveau gehalten wird, die Auslastung begrenzt ist oder eine forcierte Luftkühlung eingesetzt wird. Die tatsächlich nutzbare Leistung kann deutlich geringer ausfallen. Das 6W-Modul von RECOM liefert beispielsweise bei +75°C Umgebungstemperatur und Konvektionskühlung mehr Leistung als ein Konkurrenzprodukt mit 9W Nennleistung.

Solche Diskrepanzen, bei denen ein Bauteil mit geringerer Nennleistung unter realen Bedingungen mehr Nutzleistung liefert als ein Bauteil mit höherer Nennleistung, sind ein Anzeichen dafür, dass die bestehende Topologie ihre Grenzen erreicht hat. Unter Umständen lässt sich die Leistungsdichte durch den Einsatz kostspieliger Komponenten weiter erhöhen, allerdings ist dafür eine grundlegende Umgestaltung erforderlich, beispielsweise durch den Ersatz ineffizienter Spulentransformatoren durch ein vollständig planares Design. Dieser Ansatz wird beim neuen RS12-Z von RECOM umgesetzt.

Bei Planartransformatoren werden Leiterbahnen als Wicklungen verwendet, was bei mehrlagigen Leiterplatten technisch anspruchsvoll ist und häufig blinde und vergrabene Durchkontaktierungen erfordert. Darüber hinaus muss der PCB-Stapelaufbau sorgfältig ausgelegt werden, um den geforderten Isolationsgrad zu erreichen (3kVDC beim RS12-Z). Für jede Eingangs- und Ausgangsspannungskombination ist zudem ein eigenes PCB-Layout mit angepassten Windungsverhältnissen erforderlich, was den Herstellungsprozess komplexer macht.

Planartransformatoren erleichtern jedoch den Montageprozess und bieten im Vergleich zu herkömmlichen drahtgewickelten Transformatoren eine hohe Reproduzierbarkeit der Leistung. In Kombination mit Effizienzverbesserungen ermöglicht ein fortschrittliches Wärmemanagement bei 75°C Umgebungstemperatur die volle Ausgangsleistung von 12W über den gesamten 4:1-Eingangsbereich. Bei diesem Produkt wird die im Wandler entstehende Wärme mit geringem Wärmewiderstand effizient auf das Metallgehäuse übertragen. Zusätzlich werden verzinnte Gehäuselaschen eingesetzt, um Wärme in die Leiterplatte abzuleiten.

Ein weiterer Vorteil fortschrittlicher IC-basierter Wandlerschaltungen ist die erweiterte Funktionalität, mit der wichtige Probleme gelöst werden können. Als Hauptspannungsquelle eines Subsystems oder Produkts sollte der Wandler auch dann zuverlässig arbeiten, wenn die Eingangsversorgung abfällt, beispielsweise bei einer sich entladenden Batterie. Geregelte Schaltwandler nehmen bei konstanter Last eine konstante Leistung aus ihrem Eingang auf, sodass der Strom ansteigt, wenn die Eingangsspannung abfällt. Arbeitet der Wandler dauerhaft unterhalb der minimalen Nenneingangsspannung, kann der erhöhte Strom schädlich sein, weshalb eine Unterspannungs-Sperrfunktion erforderlich ist, die in vielen Steuer-ICs integriert ist. Diese Funktion stellt zudem sicher, dass der Wandlerausgang bei einer definierten Mindesteingangsspannung sauber abschaltet.

Ein weiteres Merkmal von Schaltungen, wie sie im RS12-Z eingesetzt werden, ist ein Steuerpin oder eine Ein/Aus-Funktion. Diese kann verwendet werden, um den Wandler bei Einsatz als Eingangsversorgung in einen Schlafmodus zu versetzen, um den Stromverbrauch zu reduzieren und die Batterielebensdauer zu verlängern. Die Funktion kann auch genutzt werden, um den Wandlerausgang mithilfe anderer Stromschienen verzögert zu steuern oder zu sequenzieren. Die Steuerung kann rein primärseitig erfolgen oder über Optokoppler von isolierten Ausgängen abgeleitet werden. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für eine Wandleranordnung, bei der DC/DC 2 aktiviert wird, nachdem DC/DC 1 mit einer festen, durch R1/C1 bestimmten Verzögerung gespeist wird, während DC/DC 3 nur aktiviert wird, wenn der Ausgang von DC/DC 2 innerhalb der Toleranz liegt.

Eine Trimmfunktion ist nützlich, um den Ausgang eines DC/DC-Wandlers anzupassen und externe Spannungsabfälle zu kompensieren. Eine typische Anwendung ist die Parallelschaltung von Wandlern zur Redundanz, bei der Ausgangsseriendioden eingesetzt werden, um zu verhindern, dass sich der Ausfall eines DC/DC-Wandlers auf den anderen auswirkt (siehe Abbildung 3). In diesem Fall kann bei Schottky-Dioden jeder Ausgang über R1 und R2 um etwa 0,3V getrimmt werden, sodass die Ausgangsspannung der korrekten Nennspannung entspricht, in diesem Fall 3,3V. Es ist zu beachten, dass Wandler typischerweise für eine maximale Ausgangsleistung ausgelegt sind, sodass der Nennstrom reduziert werden sollte, wenn die Ausgangsspannung erhöht wird.


Ein Trimmpin kann auch über eine externe Spannungsquelle angesteuert werden, die zusätzliche Funktionen ermöglicht. Ein Beispiel ist eine Stromschiene in einem ATE-System in der Produktion, die im Rahmen einer Margining-Funktion zwischen zulässigen Toleranzen variiert, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwankungen der Spannungsversorgung zu testen. Die Schaltung in Abbildung 4 ist entsprechend aufgebaut. Sie besteht aus einem Sinusoszillator IC1, der an den Trimmpin eines RECOM RS12-Z DC/DC-Wandlers mit eingestelltem DC-Offset gekoppelt ist, um die Nennspannung am Trimmpin zu erreichen. VR1 steuert die Amplitude der Variation, während IC2 diese mit einem festen negativen Offset summiert, sodass am Trimmpin ein positiver Offset mit überlagerter Sinuskurve entsteht.


Bei anderen externen Schaltungen kann der Trimmpin auch verwendet werden, um eine Fernabtastfunktion zu realisieren oder die Leistungsaufteilung zu steuern, wenn der Strom außerhalb des Wandlers erfasst wird.

Bei Verwendung als Hauptstromquelle für Geräte mit geringer Leistung wird ein DC/DC-Wandler selbst von einer externen Versorgung gespeist und muss möglicherweise bestimmte EMV-Spezifikationen erfüllen, typischerweise EN 55032, entweder Grenzwerte der Klasse A oder Klasse B. Besonders rauschbehaftete oder mit variabler Frequenz arbeitende Wandler benötigen dazu gegebenenfalls zusätzliche Filterkomponenten, die mehr Platz auf der Leiterplatte einnehmen können als der Wandler selbst.

Typische Filterschaltungen, die es den RECOM RS12-Z Wandlern ermöglichen, beide Grenzwerte einzuhalten, sind in Abbildung 5 dargestellt. In diesem Fall handelt es sich um eine Kombination aus kleinen Elektrolyt- und Keramikkondensatoren sowie niederwertigen Induktivitäten.


Modulare DC/DC-Wandler haben sich seit ihrer Einführung erheblich weiterentwickelt. Leistungsdichte und Funktionalität haben sich deutlich erhöht, sodass die Wandler heute als präzise Stromquellen für moderne elektronische Systeme eingesetzt werden können. Der RECOM RS12-Z ist ein Beispiel für diese Entwicklung. Sein innovatives Design ist für Eingangsspannungen von 12V, 24V oder 48VDC mit verschiedenen Ausgangsoptionen geeignet und liefert auch bei 75°C Umgebungstemperatur die volle Leistung von 12W.