Die Geschichte des verarbeitenden Gewerbes umfasst seit ihrem Beginn im 18. Jahrhundert vier grob definierte „industrielle Revolutionen“, bei denen menschliche und tierische Kraft nach und nach durch einen immer höheren Grad an Mechanisierung ersetzt wurden. Die erste Stufe der Mechanisierung beruhte auf der Nutzung von Wasser- und Dampfkraft. In der zweiten Phase erfolgten der Übergang zur elektrischen Energie und die Einführung der Massenproduktion sowie des Fließbands, während die dritte Phase durch den Einsatz von Computern und Automatisierung gekennzeichnet war. Jede Stufe ermöglichte eine größere Produktionsflexibilität, eine effizientere Energienutzung und geringere Kosten als die vorherige.
Fortschrittliche DC/DC-Wandler-Gehäusetechnik als Schlüssel zur Industrie 4.0
01.09.2023
Industrie 4.0 stellt hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit, Baugröße und Energieeffizienz von DC/DC-Wandlern. Entwickler müssen diesen Anforderungen gerecht werden, um eine bessere Leistung und höhere Leistungsdichte zu erzielen. Die isolierten und nicht isolierten DC/DC-Wandler von RECOM für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch setzen auf fortschrittliche Gehäusetechnologie, die die Zuverlässigkeit erhöht, die Systemkosten senkt und die Energieeffizienz verbessert.
Inhaltsverzeichnis
Wir befinden uns nun mitten in der vierten Phase, die oft als Industrie 4.0 bezeichnet wird. Sie baut auf der dritten Stufe auf, indem sie Robotertechnologien, umfangreiche Datenerfassung durch das Internet of Things (IoT) und eine cloudbasierte Komponente integriert, die zunehmend auch Machine Learning (ML) und Artificial Intelligence (AI) umfasst. In der Fertigung ist Industrie 4.0 gleichbedeutend mit der intelligenten Fabrik, in der automatisierte Systeme Entscheidungen über lokale Prozesse treffen, miteinander kommunizieren, kooperieren und in Echtzeit mit menschlichen Bedienern interagieren – sowohl vor Ort als auch über die Cloud.
Herausforderungen an die Stromversorgung in der Industrie 4.0
Industrie 4.0 kombiniert elektronische Steuerung und Überwachung mit drahtgebundener oder drahtloser Konnektivität in nahezu jedem Fertigungsprozess. In vielen Fällen erfordert dies den Einbau elektronischer Module in kleine Bereiche, die ursprünglich nicht dafür vorgesehen waren – daher sind extrem kompakte Bauformen unerlässlich.Eine typische Industrie-4.0-Anwendung ist beispielsweise die Installation eines Netzes dezentraler Sensoren, die Daten zur Übertragung an einen zentralen Knotenpunkt erfassen. Der verfügbare Platz für diese Sensormodule ist häufig stark eingeschränkt. Das Stromversorgungsdesign stellt dabei oft einen der größten Schaltungsblöcke dar, da es zahlreiche voluminöse Komponenten wie Leistungstransistoren, Transformatoren, Kondensatoren und Induktivitäten umfasst. Leistungsdesigner sind daher ständig auf der Suche nach Möglichkeiten, die Effizienz zu steigern, die Produktionskosten zu senken und die Leistungsdichte zu erhöhen – indem mehr Leistung auf kleinerem Raum bereitgestellt wird.
Bei nicht isolierten und isolierten DC/DC-Schaltreglern mit niedrigem Stromverbrauch müssen die Entwickler die Nachfrage nach besserer Leistung und höherer Leistungsdichte erfüllen und gleichzeitig eine kostengünstige Lösung entwickeln. Bei dem oben beschriebenen Sensordesign ist es oft nicht möglich, lange Kabel im gesamten Werk zu verlegen, insbesondere wenn Industrie-4.0-Funktionen zu einer bestehenden Anlage hinzugefügt werden. Daher setzen viele Sensormodule auf Batteriebetrieb und drahtlose Kommunikation wie WLAN, Bluetooth Low Energy (BLE) oder LoRa.
Deshalb sind hocheffiziente Stromversorgungslösungen mit sehr geringem Standby-Stromverbrauch entscheidend für die Maximierung der Batterielebensdauer. Das Streben nach höherer Effizienz hat die Entwicklung von DC/DC-Wandlern vorangetrieben, die fortschrittliche Topologien wie Push-Pull-Konfigurationen und synchrone Gleichrichtung einsetzen. Industrielle Anwendungen erfordern eine lange Betriebsdauer, sodass die Lebensdauer der Stromversorgung kein limitierender Faktor sein darf.
Fortschrittliche Gehäusetechnik zur Umsetzung von Industrie-4.0-Zielen
Moderne Gehäusetechnologie kann dazu beitragen, den Wirkungsgrad zu verbessern, die Baugröße von Wandlern zu reduzieren und gleichzeitig die Kosten zu senken. Der Wunsch nach kompakteren Stromversorgungen hat zur Entwicklung von Geräten geführt, die Transformator, Steuerlogik, Leistungstransistoren und weitere Komponenten in einem einzigen Gehäuse vereinen.
Der Footprint muss dabei klein bleiben, um die Vorteile eines Moduls gegenüber einem diskreten Design vollständig auszuschöpfen. Um dies zu erreichen, nutzen nicht isolierte DC/DC-Schaltregler und isolierte Wandlermodule die Z-Achse durch den Einsatz von 3D-Montagetechniken – für minimalen Platzbedarf und maximale Leistungsdichte. Im Inneren wird ein kostengünstiger Flip-Chip auf einem Leadframe montiert und eine integrierte Induktivität per Overmolding ergänzt. Die 3D-Konstruktion trägt auch zu einer höheren Effizienz bei: Die Komponenten befinden sich in unmittelbarer Nähe zueinander, was zu engen Schaltstromschleifen führt, die eine sehr geringe EMI erzeugen, sowie zu einer hohen Leistungsdichte und einer optimierten thermischen Leistung, die die von diskreten Designs übertrifft.
So weit, so gut. Doch auf der Suche nach immer höherer Produktzuverlässigkeit bei geringeren Kosten gehen moderne Elektronikfertigungslinien zunehmend dazu über, die manuelle Montage, einschließlich des Handlötens, wo immer möglich zu eliminieren. Die beiden standardmäßigen automatisierten Lötverfahren – Wave- und Reflow-Löten – erfordern Komponenten in SMT-Technik (Surface Mount Technology). Nahezu alle elektronischen Bauteile, wie Datenkonverter, Mikrocontroller und passive Bauelemente, sind in diesem Format erhältlich. Traditionell werden jedoch für integrierte Gleichspannungswandler häufig Through-Hole-SIP-Gehäuse verwendet, da sie den Footprint auf der PCB minimieren, auch wenn sie die Montage durch einen zusätzlichen Handlötschritt, der eine potenzielle Fehlerquelle darstellt, erschweren können.
Der Footprint muss dabei klein bleiben, um die Vorteile eines Moduls gegenüber einem diskreten Design vollständig auszuschöpfen. Um dies zu erreichen, nutzen nicht isolierte DC/DC-Schaltregler und isolierte Wandlermodule die Z-Achse durch den Einsatz von 3D-Montagetechniken – für minimalen Platzbedarf und maximale Leistungsdichte. Im Inneren wird ein kostengünstiger Flip-Chip auf einem Leadframe montiert und eine integrierte Induktivität per Overmolding ergänzt. Die 3D-Konstruktion trägt auch zu einer höheren Effizienz bei: Die Komponenten befinden sich in unmittelbarer Nähe zueinander, was zu engen Schaltstromschleifen führt, die eine sehr geringe EMI erzeugen, sowie zu einer hohen Leistungsdichte und einer optimierten thermischen Leistung, die die von diskreten Designs übertrifft.
So weit, so gut. Doch auf der Suche nach immer höherer Produktzuverlässigkeit bei geringeren Kosten gehen moderne Elektronikfertigungslinien zunehmend dazu über, die manuelle Montage, einschließlich des Handlötens, wo immer möglich zu eliminieren. Die beiden standardmäßigen automatisierten Lötverfahren – Wave- und Reflow-Löten – erfordern Komponenten in SMT-Technik (Surface Mount Technology). Nahezu alle elektronischen Bauteile, wie Datenkonverter, Mikrocontroller und passive Bauelemente, sind in diesem Format erhältlich. Traditionell werden jedoch für integrierte Gleichspannungswandler häufig Through-Hole-SIP-Gehäuse verwendet, da sie den Footprint auf der PCB minimieren, auch wenn sie die Montage durch einen zusätzlichen Handlötschritt, der eine potenzielle Fehlerquelle darstellt, erschweren können.
RECOM-Produkte vereinfachen automatisierte Produktionsabläufe
RECOM bietet eine Reihe von isolierten und nicht isolierten DC/DC-Wandlern in SMT-Gehäusen an, die ideal für Industrie-4.0-Anwendungen geeignet sind. Diese Wandler mit geringem Stromverbrauch lassen sich wie jedes andere SMT-Bauteil handhaben, platzieren und löten. Darüber hinaus verfügen sie über ein niedriges Profil, das sich gut in moderne Slim-Line-Produkte integrieren lässt.
Der RPX-0.5Q ist ein für die Automobilindustrie geeigneter Abwärtswandler mit integrierter, geschirmter Induktivität in einem kompakten, 3mm × 5mm × 1,6mm großen, thermisch optimierten QFN-Gehäuse mit „Wettable Flanks“, die eine automatische optische Inspektion der Lötstellen ermöglichen. Der Eingangsbereich reicht von 4 bis 36VDC, sodass 5V-, 12V- oder 24V-Versorgungsspannungen verwendet werden können. Die Ausgangsspannung lässt sich zwischen 0,8V und 34VDC einstellen und wird über zwei externe Widerstände definiert. Der Ausgangsstrom beträgt bis zu 0,5A. Das Gerät ist vollständig gegen Dauerkurzschluss, Ausgangsüberstrom und Übertemperaturfehler geschützt.
In der isolierten Produktlinie ist der R05C05TE05S ein kosteneffizienter, flacher, isolierter 0,5-W-SMD-DC/DC-Einzelausgangswandler mit einem Eingangsbereich von 4,5 bis 5,5V und einem halbregulierten 5-V-Ausgang. Es besteht keine Mindestlastanforderung, was ideal für Anwendungen ist, die in sehr leichte Lastbetriebsmodi wechseln. Das Modul kann zudem bis zu 600mW liefern – für Anwendungen, die kurzzeitig zusätzliche Leistung benötigen. Die Standardisolierung beträgt 3kVDC für 1 Minute, der Betriebstemperaturbereich reicht von –40°C bis +125°C mit Derating. Das vollautomatisierte Design ist mit Schutzfunktionen gegen Kurzschluss, Überstrom und Übertemperatur ausgestattet und gewährleistet höchste Zuverlässigkeit in Anwendungen wie Kommunikation, Strommessung und COM-Port-Isolierung.
Der RPX-0.5Q ist ein für die Automobilindustrie geeigneter Abwärtswandler mit integrierter, geschirmter Induktivität in einem kompakten, 3mm × 5mm × 1,6mm großen, thermisch optimierten QFN-Gehäuse mit „Wettable Flanks“, die eine automatische optische Inspektion der Lötstellen ermöglichen. Der Eingangsbereich reicht von 4 bis 36VDC, sodass 5V-, 12V- oder 24V-Versorgungsspannungen verwendet werden können. Die Ausgangsspannung lässt sich zwischen 0,8V und 34VDC einstellen und wird über zwei externe Widerstände definiert. Der Ausgangsstrom beträgt bis zu 0,5A. Das Gerät ist vollständig gegen Dauerkurzschluss, Ausgangsüberstrom und Übertemperaturfehler geschützt.
In der isolierten Produktlinie ist der R05C05TE05S ein kosteneffizienter, flacher, isolierter 0,5-W-SMD-DC/DC-Einzelausgangswandler mit einem Eingangsbereich von 4,5 bis 5,5V und einem halbregulierten 5-V-Ausgang. Es besteht keine Mindestlastanforderung, was ideal für Anwendungen ist, die in sehr leichte Lastbetriebsmodi wechseln. Das Modul kann zudem bis zu 600mW liefern – für Anwendungen, die kurzzeitig zusätzliche Leistung benötigen. Die Standardisolierung beträgt 3kVDC für 1 Minute, der Betriebstemperaturbereich reicht von –40°C bis +125°C mit Derating. Das vollautomatisierte Design ist mit Schutzfunktionen gegen Kurzschluss, Überstrom und Übertemperatur ausgestattet und gewährleistet höchste Zuverlässigkeit in Anwendungen wie Kommunikation, Strommessung und COM-Port-Isolierung.
Fazit
Industrie 4.0 stellt hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit, Baugröße und Effizienz. Die isolierten und nicht isolierten DC/DC-Wandler von RECOM für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch nutzen eine fortschrittliche Gehäusetechnologie, die die Zuverlässigkeit erhöht, die Kosten senkt und die Effizienz verbessert – und das alles in erstklassig kompakten Bauformen.
Anwendungen
| Serie | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
|
RPX-0.5Q
Fokus
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| |||
| 2 |
|
RxxC05TExxS
Fokus
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