Neue isolierte DC/DC-Topologie maximiert Zuverlässigkeit und minimiert Kosten und Unterbrechungen der Lieferkette
25.03.2024
Bekannt, bewährt und jetzt noch besser: Optimale Ausgewogenheit, Flexibilität und Automatisierbarkeit. Wie ein traditionelles Standardprodukt durch mehr Effizienz, weniger Fehler und adaptierbare Produkt-Roadmaps zukunftstauglich gemacht wird.
1. Abstrakt
Viele verschiedene DC/DC-Wandlertopologien sind entwickelt worden. Jede davon ist einzigartig. Doch es ist selten, dass eine neuartige Bauweise die Grenzen zwischen den traditionellen, bewährten Topologien und einer modernen Lösung bei der Realisierung von Low-Power-Designs transzendiert.
Dieses Whitepaper zeigt, wie ein bewährtes Arbeitspferd der Industrie verbessert wurde, um eine optimale Ausgewogenheit zwischen Größe, Gewicht, Leistung und Kosten zu erreichen und dabei flexible Produkt-Roadmaps zu ermöglichen, indem eine Reihe von Eingangsspannungsbereichen und Ausgangstrennungs- und -regelungsoptionen unterstützt werden. Eine Topologie, die für automatisierte Fertigungsprozesse besser geeignet ist, ist praktisch, denn sie hilft, menschliche Fehler im Prozess zu verringern.
Dieses Whitepaper zeigt, wie ein bewährtes Arbeitspferd der Industrie verbessert wurde, um eine optimale Ausgewogenheit zwischen Größe, Gewicht, Leistung und Kosten zu erreichen und dabei flexible Produkt-Roadmaps zu ermöglichen, indem eine Reihe von Eingangsspannungsbereichen und Ausgangstrennungs- und -regelungsoptionen unterstützt werden. Eine Topologie, die für automatisierte Fertigungsprozesse besser geeignet ist, ist praktisch, denn sie hilft, menschliche Fehler im Prozess zu verringern.
2. Einleitung
Das Herzstück jedes isolierten DC/DC-Wandlers ist sein Transformator. Transformatoren arbeiten nur mit Wechselstrom, so dass alle DC/ DC-Wandler eigentlich DC-AC / AC-DC-Wandler sind (Abbildung 1).
Der einfachste DC/AC-Wandler ist ein freischwingender Oszillator, der eine Rechteckwelle an der Primärwicklung des Trenntransformators erzeugt. Der einfachste AC/DC-Wandler ist einfach eine Dioden- und Kondensatorschaltung, die den Sekundärausgang des Transformators zu einer DC-Ausgangsspannung gleichrichtet und glättet.
Der einfachste DC/AC-Wandler ist ein freischwingender Oszillator, der eine Rechteckwelle an der Primärwicklung des Trenntransformators erzeugt. Der einfachste AC/DC-Wandler ist einfach eine Dioden- und Kondensatorschaltung, die den Sekundärausgang des Transformators zu einer DC-Ausgangsspannung gleichrichtet und glättet.
Abb. 1: Blockdiagramm eines isolierten DC/DC-Wandlers
Die einfachste DC/DC-Wandlerschaltung ist die selbstschwingende Royer-Topologie - ein ungeregelter Gegentaktflusswandler (Abbildung 2):
Diese Schaltung enthält neben dem Transformator nur 8 kostengünstige Komponenten: zwei Transistoren, zwei Widerstände, zwei Dioden und zwei Kondensatoren. Die Transistoren TR1 und TR2 werden durch die beiden Rückkopplungswicklungen T1af und T1bf gegenphasig im Wechsel ein- und ausgeschaltet, und der Ausgang der Sekundärwicklung wird durch die Dioden D1 und D2 gleichgerichtet, bevor er durch den Ausgangskondensator C2 geglättet wird. Eine vollständige Analyse der Royer-Topologie finden Sie im DC/DC Book of Knowledge.
Ein DC/DC-Wandler mit Royer-Topologie hat viele Vorteile: wenig Bauteile, kompakte Größe (bis <0.5cm³) und hohe Isolierung (bis zu 4kVDC/1s). Es ist außerdem sehr einfach, mit einem zusätzlichen Kondensator und Umkehren von D2 einen dualen „+/-“-Ausgang zu er zeugen, was ihn für die Stromversorgung von Dual-Rail-Operationsverstärkern, A/D-Wandlern oder bipolaren Sensorschaltungen ideal macht. Der wesentliche Nachteil ist, dass der Ausgang ungeregelt ist. Aber mit einer stabilen Versorgungsspannung und einem Lastbereich von 10-100% liegt die Ausgangsspannung in der Regel innerhalb von ±10%, was ein akzeptabler Wert für kostengünstige Designs ist.
Für Anwendungen, die eine Stromversorgung mit geringer Leistung, aber galvanischer Trennung benötigen, ist er die beliebteste DC/ DC-Wandlerlösung auf dem Markt.
Ein DC/DC-Wandler mit Royer-Topologie hat viele Vorteile: wenig Bauteile, kompakte Größe (bis <0.5cm³) und hohe Isolierung (bis zu 4kVDC/1s). Es ist außerdem sehr einfach, mit einem zusätzlichen Kondensator und Umkehren von D2 einen dualen „+/-“-Ausgang zu er zeugen, was ihn für die Stromversorgung von Dual-Rail-Operationsverstärkern, A/D-Wandlern oder bipolaren Sensorschaltungen ideal macht. Der wesentliche Nachteil ist, dass der Ausgang ungeregelt ist. Aber mit einer stabilen Versorgungsspannung und einem Lastbereich von 10-100% liegt die Ausgangsspannung in der Regel innerhalb von ±10%, was ein akzeptabler Wert für kostengünstige Designs ist.
Für Anwendungen, die eine Stromversorgung mit geringer Leistung, aber galvanischer Trennung benötigen, ist er die beliebteste DC/ DC-Wandlerlösung auf dem Markt.
Abb. 2: Royer-Topologie
3. Minimale Kostenschranke
Trotz des Erfolges von Royer-Wandlern verlangt der Markt immer weitere Kostensenkungen. Die wichtigsten Fixkosten sind die Kosten für den Bau der Transformatoren (Abbildung 3).
Sie werden in der Regel von Hand auf Ferrit-Ringkerne gewickelt, da sie aufgrund ihrer sehr geringen Größe (6mm Außendurchmesser und 3mm Innendurchmesser) für herkömmliche Transformatorwickelmaschinen zu klein sind.
Sie werden in der Regel von Hand auf Ferrit-Ringkerne gewickelt, da sie aufgrund ihrer sehr geringen Größe (6mm Außendurchmesser und 3mm Innendurchmesser) für herkömmliche Transformatorwickelmaschinen zu klein sind.
Abb. 3: Typischer handgewickelter Miniaturtransformator
Die Materialkosten der Ringkerntransformatoren (Kern, Transformatordraht) sinken mit steigenden Produktionsvolumen, aber die Montagezeit pro Transformator bleibt gleich. Das bedeutet minimale Herstellungskosten - selbst bei Stückzahlen in Millionenhöhe (Abbildung 4):
Bei so wenig Bauteilen gibt es nur begrenzte Möglichkeiten, die Komponentenkosten weiter zu senken. Da ein Großteil der Montage manuell erfolgt (Wickeln der Transformatoren, Löten der Transformatordrähte an die Leiterplatte), könnten die Kosten weiter gesenkt werden, indem die Montage in Niedriglohnländer verlagert wird. Da RECOM jedoch ein verantwortungsbewusster Arbeitgeber ist und wir die Erfahrung und die Fertigkeiten unserer Mitarbeiter sehr schätzen, wollen wir auch angemessene Löhne zahlen.
Die Lösung besteht in einem Paradigmenwechsel und im Übergang zu einem anderen Topologie- und Transformatordesign, das für eine vollautomatische Fertigung besser geeignet ist.
Die Lösung besteht in einem Paradigmenwechsel und im Übergang zu einem anderen Topologie- und Transformatordesign, das für eine vollautomatische Fertigung besser geeignet ist.
Abb. 4: Herstellungskosten im Verhältnis zur Stückzahl
4. DC/DC-Wandler der nächsten Generation
Damit ein Transformator funktioniert, braucht er mindestens eine Windung auf der Primärseite und eine auf der Sekundärseite. In der Praxis werden natürlich - je nach Eingangs- und Ausgangsspannung - viel mehr Windungen sowie geteilte Primär- und Sekundärwicklungen mit Mittelabgriff benötigt. Für die Royer-Topologie braucht man zwei zusätzliche Rückkopplungswicklungen. Dieser Bedarf an sechs verschiedenen Wicklungen macht den Transformator mit der Royer-Topologie so arbeitsintensiv.
Ein Wettbewerber benutzt eine Alternative: Er stellt die Wicklungen um den Ferritkern mit Hilfe einer Mehrschichtplatine mit Durchkontaktierungen her, wobei die …
Ein Wettbewerber benutzt eine Alternative: Er stellt die Wicklungen um den Ferritkern mit Hilfe einer Mehrschichtplatine mit Durchkontaktierungen her, wobei die …
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