Anwendung von Spitzentechnologie bei Low Power DC/DC Wandlern

Die Technologie zur Herstellung von Board-mounted DC/DC-Wandlern mit niedrigem Stromverbrauch hat sich im Vergleich zu anderen elektronischen Geräten langsamer und getrennt entwickelt. Ein typischer Wandler ist seit Jahrzehnten ein Through-Hole-Modul oder ein Open-Frame Surface-mount „Daughterboard“. Neue Produkte werden immer noch mit Pin-outs und Formfaktoren auf den Markt gebracht, die seit den 1980er Jahren Standard sind. Andere Funktionsblöcke wie Schnittstellen, A/D- und D/A-Wandler und andere Produkte haben sich jedoch kontinuierlich von diskreten Lösungen zu immer kleineren 'Chips' entwickelt - Surface-mount ICs, die nur den Bruchteil eines Millimeters hoch sind und einen Footprint haben, der nur wenig größer ist als die Größe des internen Chips, der selbst jetzt Leiterbahngeometrien im Nanometerbereich aufweisen kann.

Warum sind die DC/DCs nicht dem Trend zur Verkleinerung gefolgt?

DC/DCs sind nur eine Ansammlung aktiver und passiver Komponenten. Warum sind sie dann nicht einfach ein weiterer integrierter Schaltkreis geworden und genauso geschrumpft? Ein Grund dafür ist, dass sie oft mit einer erheblichen Verlustleistung arbeiten und daher eine gewisse Oberfläche benötigen, über die die Verlustleistung abgeführt werden kann. Dies ist jedoch immer weniger ein Problem, da die Wirkungsgrade mit neuen Umwandlungstechniken steigen. Der Hauptgrund sind die magnetischen Komponenten, die in den meisten Wandlern benötigt werden. Diese sind über Jahrzehnte hinweg hartnäckig bei der gleichen Fertigungstechnologie und in etwa der gleichen Größe geblieben. Zum Vergleich: 1988 lieferte die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) ICs mit einer Geometrie von 3µm, und heute ist die Zahl mit 3nm tausendmal kleiner [1].

Im gleichen Zeitraum haben sich die typischen diskreten, passiven Surface-mount Komponenten, die praktisch maschinell platziert werden können, von 1206 auf nur noch 01005 verkleinert, was einer Verkleinerung des Footprints um mehr als das 50-fache entspricht. Im Gegensatz dazu haben sich die Größen der Magnetkerne in DC/DC-Wandlern und Drosseln seit den 80er Jahren kaum verändert. Sie werden durch die inhärente maximale Flussdichte des Materials und die Betriebsfrequenz bestimmt, die wiederum die Mindestanzahl der Windungen vorgibt. Um den Generationen von Energietechnikern gerecht zu werden, hat sich die Leistungsdichte 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 erhöht werden, im Falle des SIP7-Formats für einen ungeregelten Typ vielleicht sogar um den Faktor 3 (Abbildung 1).

Die Optionen zur Optimierung der Magnetik

Es gab schon immer Möglichkeiten, die Größe von Leistungsmagneten zu reduzieren, indem man die Schaltfrequenz erhöht, was in der Regel zu einer Verringerung der Kerngröße, der Windungen oder einer Kombination aus beidem führt. Bei höheren Schaltfrequenzen sinkt jedoch die Halbleitereffizienz und die Kernverluste nehmen zu, so dass die Gesamtgröße des Gehäuses nicht unbedingt ohne höhere Innentemperaturen reduziert werden kann. Die Lösung wäre ein komplexerer Wandler, der auf einen hohen Wirkungsgrad ausgelegt ist, was jedoch als unerschwinglich teuer angesehen wurde.

Magnetische Bauteile sind auch relativ teuer in der Herstellung und im Einbau in einen Spanungswandler. Die Montagetechniken, die Faraday vertraut gewesen wären - das Wickeln von isoliertem Draht um einen Kern und das anschließende Löten von „fliegenden“ Drähten an ein Substrat - haben sich kaum verändert (Abbildung 2). Spulen nehmen im Allgemeinen zu viel Platz ein, und Techniken, die gedruckte Wicklungen verwenden, waren aufgrund der Anzahl der erforderlichen Windungen und Wicklungen und der inakzeptablen Kosten für mehrschichtige Substrate nicht praktikabel, zumindest nicht für Produkte mit geringer Leistung.

Die Hersteller haben sich für Einfachheit und niedrige Teilekosten entschieden

Die meisten Hersteller von Low Power DC/DC-Wandlern versuchen, die Schaltung so einfach und kostengünstig wie möglich zu gestalten, z.B. 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 einem doppelseitigen Board, der zum Schutz der empfindlichen Anschlüsse eingegossen oder überspritzt wird. Die Schaltkreise und Montagetechniken wurden im Laufe der Jahre verfeinert, so dass ein einfacher ungeregelter Wandler nur etwa zehn diskrete Komponenten enthält, während eine geregelte Version fünfzehn verwendet.

Da die Herstellung der Transformatoren und die Montage der Module an einem kostengünstigen Standort erfolgt, ist das Endprodukt recht effizient, bietet Isolierung, einen großen Betriebstemperaturbereich. Zudem erfolgt eine ziemlich präzise Umwandlung der Spannung zwischen den Levels. Ein Vorteil der manuellen Montagemethode ist, dass Varianten der Produkte für unterschiedliche Eingangs-/Ausgangsspannungen und Nennleistungen im Herstellungsprozess relativ einfach durch eine einfache Anweisung des Bedieners, mehr oder weniger Windungen zu wickeln, erreicht werden können.

Dieser Ansatz hat zwangsläufig auch Nachteile. Die manuelle Montage führt jedoch zu Abweichungen zwischen den einzelnen Mustern, und es ist schwierig, einen umfassenden Fehlerschutz in einfachen Schaltkreisen zu gewährleisten. Eine Isolierung auf einem sicherheitszertifizierten Niveau ist nicht praktikabel, ohne mehr Komplexität, Kosten und größere Gehäuse zu verursachen. Ein einfacher Royer Wandler hat keine Netz- oder Lastregelung, und die Ausgangsspannung kann bei sehr geringer oder keiner Last erheblich ansteigen. Außerdem steigen die Arbeitskosten im Laufe der Zeit, während die Endkunden Preissenkungen erwarten, und der Arbeitsanteil sinkt nicht einmal mit dem Produktionsvolumen. Gleichzeitig steht der Markt unter dem Druck, die Funktionalität und Effizienz zu erhöhen und die Größe der Wandler zu reduzieren, um sie an moderne, platzbeschränkte Anwendungen anzupassen.

Streben nach dem Ideal

Um aus diesem Schema auszubrechen, träumen Stromversorgungsdesigner von einem Ideal - dem Einbau von Steuer-ICs mit einer breiten Palette von Funktionen wie Hochfrequenz-/ Hocheffizienzbetrieb mit eingebauter optionaler aktiver Regelung und umfassendem Schutz. Der Transformator sollte Techniken wie maschinell platzierte planare Kerne und gedruckte Wicklungen in einem mehrschichtigen Substrat verwenden. Die IC-Lösung und der eingebettete Transformator sind mit den erforderlichen unterstützenden Komponenten deutlich teurer als die einfache Royer-Schaltung, aber mit flexibler Montageautomatisierung und Skaleneffekten ist dies ein Weg, um die Marktanforderungen nach besserer Leistung und Konsistenz mit höherer Leistungsdichte zu erfüllen, und das ohne Kostennachteil.

Diesen Ansatz verfolgt der in Österreich ansässige Hersteller RECOM [2], der damit begonnen hat, diese „Spitzentechnologie“ in Low Power DC/DC-Wandlern einzubauen, die als „K“-Serie bezeichnet werden. Das Unternehmen investiert stark in die Automatisierung, um die Arbeitskosten deutlich zu senken, während durch den Einsatz großer Mengen an Substraten und Komponenten die Produktkosten niedrig gehalten werden. Gleichzeitig ermöglichen innovative Designtechniken eine einfache Konfiguration der Produkte im flexiblen Fertigungsprozess für die breite Palette der üblicherweise geforderten Varianten.

Beispiel für neue Produkte auf dem Markt

Ein Beispiel für ein Produkt mit der neuen Technologie ist die RECOM RKK-Serie, bei der eine integrierte Steuerung und ein Planartransformator implementiert wurden, um die Leistung zu verbessern und die Montage vollständig zu automatisieren. Das Unternehmen hat sich aus Kompatibilitätsgründen dafür entschieden, das SIP7-Format beizubehalten und das Bauteil mit einer Leistung von 1W auszulegen, wobei der verbesserte Wirkungsgrad dazu genutzt wird, den Betriebstemperaturbereich zu erweitern, der nun ohne Derating bis zu 105°C beträgt. Die Leistung von 1W ist für viele Anwendungen geeignet, die typischerweise isolierte Kommunikationsschnittstellen oder High-Side-Gate-Treiber versorgen.

Der erweiterte Temperaturbereich eröffnet breitere Märkte, wie z.B. hochspezifizierte Industrie- und Automobilanwendungen. Eine Zusammenfassung der Unterschiede und Leistungsverbesserungen der RKK-Serie im Vergleich zu einem früheren Produkt finden Sie in Tabelle 1. Die Verbesserungen werden in bemerkenswerter Weise mit einem reduzierten Verkaufspreis in der Menge erreicht. Obwohl das neue Produkt nominell ungeregelt ist, gibt es einen gewissen Ausgleich für Eingangsspannungsänderungen, z.B. weniger als +/-5% Ausgangsänderung bei +/-10% Eingangsspannungsänderung. Ein weiteres Merkmal ist, dass die Bauteile nicht gekapselt werden müssen, was Gewicht und Kosten spart. Eine Version der Serie umfasst einen nachgeregelten Ausgang, wenn eine hohe Genauigkeit erforderlich ist.

Sonstige neue Entwicklungen

Die Prinzipien der neuen RECOM-Technologie wurden auch in die nicht isolierten DC/DCs integriert, und zwar in Form eines Upgrades der beliebten R-78-Serie, die einen direkten Ersatz für Linearregler darstellt. Bei den neuen Produkten mit der Bezeichnung R-78K wurde der Wirkungsgrad auf bis zu 96% verbessert und der Eingangsbereich auf 36V erweitert. Die Betriebstemperatur beträgt jetzt 90°C ohne Derating.

Weitere 'K'-Upgrades bestehender RECOM-Produkte sind in Vorbereitung und folgen dem Trend, einfache traditionelle Designs durch fortschrittliche Schaltungstechniken und Fertigungstechnologien zu ersetzen, ohne die Kosten zu erhöhen.

Referenzen

[1] https://www.tsmc.com/english/dedicatedFoundry/technology/logic/l_3nm
[2] https://recom-power.com