Anwendung von Spitzentechnologie bei Low Power DC/DC Wandlern

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).

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). Der typische Drahtdurchmesser ist 0,18 mm und der Kerndurchmesser beträgt 6 mm außen und 3 mm innen. 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 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.