Anwendung von Spitzentechnologie bei Low Power DC/DC-Wandlern

DC/DC-Wandler sind dem allgemeinen Trend zur Verkleinerung nicht gefolgt, weil sich ihre magnetischen Komponenten nicht im gleichen Ausmaß miniaturisieren lassen wie Halbleiter. Im Gegensatz zu ICs benötigen Wandler Transformatoren und Drosseln, die eine gewisse Mindestgröße haben müssen, um Flussdichte, Schaltfrequenz und Wärmeabfuhr zu bewältigen. Höhere Wirkungsgrade reduzieren zwar einige thermische Einschränkungen, dennoch bleibt die Magnetik der entscheidende Engpass. Zum Vergleich: Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) hat die Strukturgrößen von ICs von 3µm im Jahr 1988 auf heute 3nm verkleinert [1], während sich die Fertigungstechniken und Abmessungen magnetischer Bauteile im gleichen Zeitraum kaum verändert haben.

Die typischen diskreten, passiven Surface-mount-Komponenten, die maschinell platziert werden können, haben sich dagegen von 1206 auf nur noch 01005 verkleinert, was einer Reduzierung des Footprints um mehr als das 50-Fache entspricht. Die Größen der Magnetkerne in DC/DC-Wandlern und Drosseln haben sich seit den 1980er-Jahren jedoch kaum verändert. Sie werden durch die maximale Flussdichte des Materials und die Betriebsfrequenz bestimmt, die wiederum die Mindestanzahl der erforderlichen Windungen festlegen.

Um den Generationen von Energietechnikern gerecht zu werden, hat sich die Leistungsdichte dennoch verbessert, da die Verluste durch neue Umwandlungstopologien, bessere Komponenten und fortschrittliches thermisches Design gesunken sind. Dadurch konnte die Ausgangsleistung bei einer gegebenen Größe des DC/DC-Moduls gesteigert werden, im Fall des SIP7-Formats für einen ungeregelten Typ sogar um etwa das 3-Fache (Abbildung 1).

Eine der effektivsten Möglichkeiten, magnetische Komponenten zu optimieren, besteht darin, die Schaltfrequenz zu erhöhen, da dadurch sowohl die Kerngröße als auch die Anzahl der Wicklungen reduziert werden können. Bei höheren Schaltfrequenzen sinkt jedoch die Halbleitereffizienz und die Kernverluste steigen, sodass die Gesamtgröße des Gehäuses nicht ohne höhere Innentemperaturen reduziert werden kann. Die Lösung wäre ein komplexerer Wandler mit hohem Wirkungsgrad, was jedoch lange Zeit als zu teuer angesehen wurde.

Magnetische Bauteile sind auch relativ teuer in der Herstellung und im Einbau in einen Spannungswandler. Die Montagetechniken, die Faraday vertraut gewesen wären, also das Wickeln von isoliertem Draht um einen Kern und das anschließende Löten von fliegenden Drähten auf ein Substrat, haben sich kaum verändert (Abbildung 2). Der typische Drahtdurchmesser beträgt 0,18 mm und der Kerndurchmesser 6 mm außen und 3 mm innen. Spulen nehmen im Allgemeinen viel Platz ein, und Techniken mit gedruckten Wicklungen waren aufgrund der erforderlichen Anzahl an Windungen und der hohen Kosten für mehrschichtige Substrate für Low-Power-Produkte nicht praktikabel.

Die meisten Hersteller von Low-Power-DC/DC-Wandlern versuchen, die Schaltung so einfach und kostengünstig wie möglich zu halten, etwa durch die Verwendung der traditionellen Royer-Schaltung (Abbildung 3). Die dadurch erzielten Einsparungen kompensieren die hohen Arbeitskosten für das Wickeln einfacher Ringkerne und das manuelle Löten von Drähten auf ein doppelseitiges Board, das zum Schutz der empfindlichen Anschlüsse eingegossen oder überspritzt wird. Die Schaltkreise und Montagetechniken wurden im Laufe der Jahre verfeinert, sodass ein einfacher ungeregelter Wandler nur etwa zehn diskrete Komponenten enthält, während eine geregelte Version rund fünfzehn verwendet.

Da die Herstellung der Transformatoren und die Montage der Module an einem kostengünstigen Standort erfolgen, ist das Endprodukt recht effizient, bietet Isolierung und einen großen Betriebstemperaturbereich. Zudem erfolgt eine präzise Umwandlung der Spannung zwischen den Levels. Ein Vorteil der manuellen Montage ist, dass Varianten für unterschiedliche Eingangs- und Ausgangsspannungen sowie Nennleistungen im Fertigungsprozess relativ einfach umgesetzt werden können, indem der Bediener angewiesen wird, mehr oder weniger Windungen zu wickeln.

Dieser Ansatz hat jedoch zwangsläufig auch Nachteile. Die manuelle Montage führt zu Abweichungen zwischen einzelnen Mustern, und es ist schwierig, in einfachen Schaltkreisen einen umfassenden Fehlerschutz zu gewährleisten. Eine Isolierung auf sicherheitszertifiziertem Niveau ist nicht praktikabel, ohne zusätzliche Komplexität, höhere Kosten und größere Gehäuse zu verursachen. Ein einfacher Royer-Wandler besitzt weder Netz- noch Lastregelung, und die Ausgangsspannung kann bei sehr geringer oder keiner Last deutlich ansteigen. Zudem steigen die Arbeitskosten kontinuierlich, während Endkunden Preissenkungen erwarten und der Arbeitsaufwand selbst bei hohen Produktionsvolumina nicht sinkt. Gleichzeitig steht der Markt unter dem Druck, die Funktionalität und Effizienz zu erhöhen und die Größe der Wandler für moderne, platzbeschränkte Anwendungen weiter zu reduzieren.