Designanforderungen an DC/DC-Wandler

Nahezu alles würde ohne elektrische Energieversorgung zusammenbrechen. Angefangen beim einfachen Consumer-Gerät über LED-Beleuchtung Rechnernetzwerke, medizinische Geräte, die uns helfen, gesund zu bleiben, bis hin zu Satelliten oder dem Hubble-Teleskop, mit dem wir ferne Welten erforschen. Und dann sind da noch Navigationssysteme und Elektrofahrzeuge. Heutzutage könnten Schiffe ohne GPS nur schwer ihren Zielhafen erreichen, und Flugzeuge bräuchten einen zusätzlichen Navigator. Und die E-Mobilität? Elektrofahrzeuge müssen sicher sein – und sollen künftig sogar autonom fahren!

Das Auto wird neu gedacht. Ein Lenkrad gibt es nicht mehr – und wir sitzen auf dem Rücksitz. Drei Bordcomputer, unzählige Sensoren, endlose Software, künstliche Intelligenz! Und wenn alles zusammenspielt und ausreichend entwickelt ist, verlassen wir uns auf die Technik, ziehen die Jalousien herunter und kommen entspannt an. Noch Zukunftsmusik – aber für Behindertenfahrzeuge ist das heute bereits Realität.

Die große Traktionsbatterie treibt den Motor an. Alle anderen Verbraucher, wie etwa die Bordcomputer mit ihren KI-Programmen, werden ebenfalls aus der Traktionsbatterie versorgt, benötigen jedoch niedrigere Spannungen – zum Beispiel 12V, 18V oder 24V. Die eigentlichen Mikrocontroller und ihre Peripherie arbeiten mit 5V, 3,3V oder 1,8V, die wiederum aus den 12V erzeugt werden. Damit sind wir bereits bei der ersten wichtigen Anforderung an DC/DC-Wandler angekommen: Sie müssen genauso sicher und zuverlässig arbeiten wie die gesamte Rechnertechnik. Leider werden sie physikalisch bedingt auch warm. Und wenn etwas warm wird (oder sogar heiß), setzt Alterung ein. Bei geringer Temperaturerhöhung ist das unkritisch, doch je heißer die Bauteile werden, desto stärker verlaufen die Alterungsprozesse – bei Elektrolytkondensatoren sogar überproportional. Bei der heutigen Bauteiltechnologie hilft nur eine gute Wärmeabfuhr.

Lüfter sind meist ausgeschlossen, daher bleibt nur die Wärmeableitung über wärmeleitfähiges Material – zum Beispiel eine Grundplatte aus Aluminium, die die Wärme direkt an das Gehäuse abführt. Es gibt noch einen zweiten „Trick“: Anstatt einen großen DC/DC-Wandler einzusetzen, werden mehrere kleine Wandler über die Fläche verteilt (Distributed Power Architektur). Das hat zusätzlich den Vorteil, dass die Spannungen genau dort erzeugt werden, wo sie benötigt werden. Aus einer 12V-Schiene, einem internen Versorgungsbus, werden 3,3V direkt am Mikrocontroller erzeugt, und die analoge Schaltung zur Aufbereitung der Sensorsignale erhält einen eigenen 12V/5V-Wandler in unmittelbarer Nähe. Diese Architektur ist auch unter dem Begriff PoL (Point of Load) bekannt. Sie bietet neben einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung auch Vorteile bei der EMV.

Nach dem bisher Gesagten erkennen wir bereits, dass die Bedeutung kleiner, hocheffizienter DC/DC-Wandler zunimmt und zunehmend die Architektur eines Geräts bestimmt.

Zusätzlich zu den bereits genannten Anforderungen müssen die Wandler möglichst kompakte Abmessungen haben und eine hochkonstante, präzise Ausgangsspannung liefern, die auch bei Lastsprüngen innerhalb definierter Grenzen bleibt. Sie müssen einen weiten Eingangsspannungsbereich unterstützen und zugleich sehr kosteneffizient sein. Diese Anforderungen lassen sich in den meisten Fällen nur mit Schaltreglern umsetzen, da ein Längsregler zu viel Abwärme erzeugen würde. Schaltregler benötigen jedoch eine EMV-gerechte Filterung am Ausgang – und teilweise auch am Eingang. Bei der Auswahl eines Wandlers sollte daher beachtet werden, welche Normen bereits erfüllt sind und welche zusätzlichen Filterelemente erforderlich sind.

Marktübliche DC/DC-Wandler decken einen Leistungsbereich von einigen hundert Milliwatt bis hin zu mehreren hundert Watt ab. So unterschiedlich wie die Leistungen sind, so verschieden sind auch die gebräuchlichen Bauformen. Diese reichen von SMD-, SIL- oder DIL-Gehäusen für Leistungen bis etwa 10 Watt über zöllige Baugrößen für Leistungen bis circa 40 Watt bis hin zu Brick-Wandlern für hohe Leistungen. Ein Full-Brick-Modul misst 117mm × 61mm.

Der hohe Wirkungsgrad des RPX-4.0 ermöglicht den Betrieb mit voller Leistung bis zu 65°C und mit Leistungsminderung bis zu 90°C – abhängig von Variante und Montageanordnung. Die Wirkungsgradkurve steigt bei niedrigen Ausgangsleistungen an, das heißt, der Wandler lässt sich auch bei mittleren und kleinen Lasten effizient einsetzen. Erreicht wird dies unter anderem durch eine intelligente Steuerung der Schaltfrequenz sowie durch eine integrierte, abgeschirmte Speicherdrossel, die zusätzlich für geringe elektromagnetische Störungen (EMI) sorgt.


Die Konstruktion basiert auf der RECOM-Technologie „3D Power Packaging®“ für hohe Leistungsdichte und verwendet ein Flip-Chip-on-Leadframe-Design. Das Modul wird mit einer 3-jährigen RECOM-Garantie geliefert. Zudem ist ein Evaluierungsboard RPX-4.0-EVM-1 erhältlich, mit dem Kunden alle Produktfunktionen testen und die Filterung gezielt an die Anforderungen ihres Zielsystems anpassen können.

Wenn LEDs aus einer Spannungsquelle gespeist werden, benötigen sie zur Strombegrenzung und zur Einstellung des Arbeitspunkts einen Vorwiderstand. In diesem entsteht eine nennenswerte Verlustleistung. Diese lässt sich vermeiden, wenn stattdessen eine Stromquelle zur Versorgung der LED verwendet wird. Mit einem Spannungsregler und einem Operationsverstärker lässt sich eine einfache Schaltung realisieren, die gegenüber der LED die Charakteristik einer Stromquelle aufweist:

Mit der 3DPP^®-Technologie von RECOM erreicht der RPX-4.0 eine deutlich höhere Leistungsdichte als herkömmliche Wandler – wie die Vergleichsbilder zeigen, die alle im gleichen Maßstab dargestellt sind. Trotz seiner äußerst kompakten Bauform ermöglicht das ausgezeichnete interne Thermomanagement einen Volllastbetrieb ohne Zwangskühlung.