Hochentwickelte DC/DC-Wandler vereinfachen das Design von Stromversorgungssystemen für Industrie, Medizintechnik und Transport

Angesichts des zunehmenden Einsatzes von Elektronik in Industrie-, Transport- und medizintechnischen Anwendungen müssen die Entwickler der unterstützenden Leistungs-Subsysteme eine hohe Performance in physikalisch und elektrisch anspruchsvollen Umgebungen sicherstellen und gleichzeitig strenge Vorschriften und Sicherheitsanforderungen erfüllen. Gleichzeitig müssen sie innerhalb der immer enger werdenden Budgets und Zeitpläne bleiben.

Der DC/DC-Wandler hat sich im Laufe der Zeit dramatisch weiterentwickelt, um viele dieser Anforderungen zu erfüllen. Sie sind für eine höhere Leistungsdichte kleiner geworden, um Platz zu sparen, und bieten große Eingangsbereiche, um die Lagerhaltung zu vereinfachen und die Stückliste (BOM) zu senken. Weitere Verbesserungen, die die Arbeit des Entwicklers erleichtern, sind unter anderem rauscharme Ausgänge, strengere Lastregelung, starke Schutz- und Sicherheitsfunktionen und eine bemerkenswerte Aufmerksamkeit für das Wärmemanagement. Allerdings sind erwartungsgemäß nicht alle DC/DC-Wandler gleich, so dass Entwickler bei der Auswahl differenziert vorgehen müssen, um Design und Anwendungserfolg zu gewährleisten.

In diesem Artikel werden DC/DC-Wandler von Bellnix, HVM Technology, Murata Power Solutions, Vicor und XP Power vorgestellt, die kompakt sind, eine geringe Welligkeit gewährleisten und sowohl Einzel- als auch Doppelausgangsspannungen abdecken. Darüber hinaus werden Funktionen und Verbesserungen hervorgehoben und erläutert, und es wird gezeigt, wie diese den Entwicklern dabei helfen können, die Fähigkeiten zur Leistungsanpassung zu verbessern, das Rauschen zu senken, den Selbstschutz zu gewährleisten und ein besseres Wärmemanagement zu ermöglichen.

Arbeitsweise von DC/DC-Wandlern

Wie der Name schon sagt, nimmt ein DC/DC-Wandler am Eingang eine Spannung von einer Gleichstromquelle auf und wandelt sie in eine andere Gleichspannung um. Der Ausgang kann entweder niedriger (Abwärtswandler) oder höher (Aufwärtswandler) als die Eingangsspannung sein. DC/DC-Wandler sind entweder isoliert oder nicht isoliert. Ein isolierter DC/DC-Wandler verwendet einen Transformator, um den Gleichstrompfad zwischen Eingang und Ausgang zu eliminieren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Dieser DC/DC-Wandler ist isoliert, was durch den Transformator zwischen der Eingangs- und der Ausgangsstufe angezeigt wird. (Bildquelle: XP Power)

Im Gegensatz dazu verwenden nicht isolierte DC/DC-Wandler, die oft verwendet werden, wenn die Spannungsänderung gering ist, einen Gleichstrompfad zwischen Eingang und Ausgang.

Wichtige Überlegungen zu Performance und Design

Zu den wichtigsten Leistungsmerkmalen von DC/DC-Wandlern gehören Wirkungsgrad, Nennstrom, Brummspannung, Regelung, Einschwingverhalten, Nennspannung, Größe und Gewicht. Weitere Informationen hierzu finden Sie unter „Einführung in DC/DC-Wandler“. Entwickler müssen auch die Fähigkeit eines Wandlers berücksichtigen, einen großen Bereich von nominalen Eingangsspannungen zu unterstützen. Dies ermöglicht es einem Wandler, viele Anwendungen zu unterstützen - unter der Voraussetzung, dass er auch in der Lage ist, die erforderliche Ausgangsspannung und den erforderlichen Nennstrom für die erwarteten Lasten bereitzustellen.

Abhängig von der Anwendung und der Art der Stromquelle ist auch der Schutz gegen Überspannung, Unterspannung, Verpolung, Kurzschluss und Übertemperaturbedingungen von entscheidender Bedeutung. Ebenso ist eine gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und ein guter Schutz gegen elektromagnetische Interferenz (EMI) ein Muss. Dies ist besonders wichtig, da die in DC/DC-Wandlern verwendeten Schaltnetzteile Rauschen direkt in die Last einbringen und HF-Rauschen aussenden können, das die Stabilität und Genauigkeit benachbarter Schaltungen beeinträchtigen kann.

Schließlich sollten Entwickler die thermischen Eigenschaften des Wandlers im Zusammenhang mit dem Design und den Betriebsbedingungen der Anwendung sorgfältig prüfen, damit bei Bedarf eine angemessene Belüftung und andere Wärmemanagement-Techniken eingesetzt werden können.

Für DC/DC-Wandler gilt: Kleiner ist besser

Verschiedene Anwendungen erfordern DC/DC-Wandler in kompakten Formfaktoren, um Platz zu sparen und die Installation zu vereinfachen. Für solche Anwendungen hat Bellnix die 1,5W-DC/DC-Wandler der OHV-Serie für mittlere bis hohe Spannungen entwickelt, um die erforderliche Montagefläche im Vergleich zu den zum Zeitpunkt der Entwicklung verfügbaren Modulen um fast 60 % zu reduzieren. Ein Musterbauteil ist das SiP (System-in-Package) OHV12-1.0K1500P, das 44 x 16 x 30 Millimeter (mm) misst und 1000 Volt bei 1,5 Milliampere (mA) ausgibt (Abbildung 2). Zudem entwarf Bellnix die Serie so, dass das Welligkeitsrauschen auf bis zu 5 Millivolt (mV) Spitze-Spitze (_S-S) beschränkt bleibt.

Abbildung 2: Der ultrakompakte Wandler OHV12-1.0K500P von Bellnix misst 44 x 16 x 30 mm und gibt 1000 Volt bei 1,5 mA aus. (Bildquelle: Bellnix)

Die Serie arbeitet mit einem Eingangsspannungsbereich von 11 bis 13 Volt bei 0,28 Ampere (A). Daraus kann er je nach Modell zwischen null und +/-1000 Volt (0 bis 1,5 mA), +/-1500 Volt (0 bis 1,0 mA) und +/-2000 Volt (0 bis 0,7 mA) ausgeben.

Das geringe Welligkeitsrauschen der Komponente von 5 mV_S-S ist wichtig für Anwendungen wie z.B. in der Messtechnik, wo jede Instabilität in der Hochspannungsversorgung Rauschen induzieren und die Genauigkeit der Geräte beeinträchtigen kann. Bellnix hat eine eigene Schaltungstechnologie entwickelt, um das Rauschen auf ein Minimum zu reduzieren. Während die Komponenten in sich geschlossen sind - es sind keine externen Komponenten erforderlich - können die Entwickler Bauteile hinzufügen, um das Rauschen weiter zu reduzieren und auch die Eingangsimpedanz zu verringern (Abbildung 3).

Abbildung 3: Um die Eingangsimpedanz aufgrund der Leitungslänge zwischen der Versorgung und dem Wandler zu verringern, können Entwickler den Kondensator C1 auf der Anschlussseite hinzufügen. Um das Rauschen weiter zu reduzieren, kann C2 über der Last hinzugefügt werden. (Bildquelle: Bellnix)

Um z.B. die Eingangsimpedanz zu verringern, die durch eine größere Entfernung zwischen dem Wandler und der Stromversorgung verursacht wird, kann der Kondensator C1 am Eingang hinzugefügt werden. Dieser Kondensator sollte auf der Anschlussseite des Wandlers platziert werden, um die Leitungsinduktivität zu verringern. Um das Rauschen zu reduzieren, kann ein Kondensator (C2) mit minimaler Eingangs-Ausgangs-Verdrahtung sorgfältig in der Nähe der Last platziert werden, wobei besonders auf Kriech- und räumliche Abstände geachtet wird.

Alle Komponenten der Produktlinie verfügen über einen eingebauten Kurzschluss- und Überstromschutz und erhöhen die Zuverlässigkeit der Stromversorgung zusätzlich durch ein fünfseitiges Metallgehäuse, das mit einer zusätzlichen Abschirmung gegen übermäßige Hitze und Temperatur geschützt ist. Die Ausgangsspannung der Serie OHV kann durch eine externe Spannung oder einen externen variablen Widerstand von 0 V bis 2000 V eingestellt werden.

Für Entwickler batteriebetriebener Geräte bietet die nHV-Serie von HVM Technology eine präzise geregelte Leistung von 100 Milliwatt (mW) bei bis zu 1 Kilovolt (kV) in einem Gehäuse von 11,4 mm x 8,9 mm und einer Höhe von 9,4 mm. Konkret liegt die Lastregelung bei <0,2% (typisch) von Leerlauf bis Volllast.

Die nHV-Serie bietet einen 5V-Eingang (4,5 Volt ± 0,5 Volt). Je nach Modell liegt die Ausgangsspannung zwischen -1200 Volt (NHV0512N) und 1200 Volt (NHV0512) bei 83 Mikroampere (µA), bis -100 Volt (NHV0501N) und 100 Volt (NHV0501) bei 1 mA.

Die Serie verfügt über einen hochohmigen Programmiereingang (100 Kiloohm (kΩ)), so dass die Geräte einfach zu installieren sind und keine niederohmige, einstellbare Versorgungsspannung benötigt wird. Die Ausgangsspannung ist unabhängig von der Eingangsspannung und ist stattdessen proportional zur Programmierspannung, um eine robuste Linearität zu gewährleisten.

Weiter Eingangsbereich

Wie die nHV-Serie sind auch die 15W- und 20W-DC/DC-Wandler der Serien DTJ15 und DTJ20 von XP Power miniaturisiert, um eine einfache Installation und einen stromsparenden Betrieb zu ermöglichen, jedoch mit einer Besonderheit: Sie können auf einem Chassis oder einer Hutschiene installiert und über Schraubklemmen angeschlossen werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die DC/DC-Wandler der Serien DTJ15 und DTJ20 sind für kleine Abmessungen optimiert, können einfach auf einer Hutschiene installiert werden und verfügen über einen großen Eingangsspannungsbereich. (Bildquelle: XP Power)

Wichtig an diesen Leistungswandlern ist neben der einfachen Installation vor allem ihre Fähigkeit, einen weiten DC-Eingangsspannungsbereich abzudecken, der von 9 Volt bis 36 Volt und 18 Volt bis 75 Volt reicht. Eine Vielzahl von Eingangsquellen, darunter mehrere nominale Batteriespannungen und Fahrzeugversorgungen, ermöglichen es diesen Wandlern, ein breites Spektrum von industriellen, kommerziellen und Kommunikationsanwendungen zu bedienen.

Zusammen bieten die DC/DC-Regler der Serien DTJ15 und DTJ20 insgesamt 14 Varianten an Komponenten mit einem Ausgang, die Spannungen von 3,3 Volt, 5,0 Volt, 12,0 Volt und 15,0 Volt liefern, und an Komponenten mit zwei Ausgängen, die jeweils ±5,0 Volt, ±12,0 Volt und ±15,0 Volt liefern (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die DC/DC-Wandler der Serien DTJ15 und DTJ20 zeichnen sich durch ihren weiten Eingangsspannungsbereich sowie durch ihren Ausgangsbereich aus, wobei letzterer insgesamt 14 Varianten umfasst. Das Bild zeigt die Ausgabe für den DTJ15, einen 15W-Wandler. (Bildquelle: XP Power)

Eine Funktion für Fernaktivierung/-deaktivierung ermöglicht die Steuerung der DC/DC-Wandler durch Software, was zur Kontrolle des Gesamtstromverbrauchs beiträgt und den effizienten Betrieb von ferngesteuerten Installationen ermöglicht.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der DC/DC-Wandler der Serien DTJ15 und DTJ20 ist der Sanftanlauf, der die Ausgangsspannung durch Modulation der internen Fehlerverstärkerreferenz rampenförmig ansteigen lässt. Dadurch nähert sich die Ausgangsspannung einer stückweise linearen Rampe an, die endet, wenn die Spannung die nominale Ausgangsspannung erreicht. Zu den weiteren Schutzfunktionen der Regler der Serien DTJ15 und DTJ20 gehören Kurzschlussschutz und Verpolungsschutz am Eingang.

Portfolio der Schutzfunktionen

Energiesystemdesigns für Bahn-, Industrie- und Transportanwendungen erfordern schnelle Einschwingzeiten bei transienten Stufenbelastungen. Andere transiente Ereignisse wie Schwingungen in der Eingangs- und Ausgangsspannung machen die Selbstschutzfunktionen für den sicheren und zuverlässigen Betrieb von DC/DC-Wandlern entscheidend.

Bei der Strombegrenzung, die auch als Leistungsbegrenzung bezeichnet wird, geht der DC/DC-Wandler in einen strombegrenzenden Modus über, sobald der Ausgangsstrom auf etwa 130% seines Nennwertes ansteigt. Infolgedessen beginnt die Ausgangsspannung proportional abzunehmen, um die Verlustleistung einigermaßen konstant zu halten.

Wenn die Umgebungsbedingungen dazu führen, dass die Temperatur des DC/DC-Wandlers über die vorgesehene Betriebstemperatur steigt, schaltet ein Präzisionstemperatursensor die Komponente aus. Sobald die Innentemperatur unter den Schwellenwert des Temperatursensors fällt, startet der DC/DC-Wandler von selbst.

Die isolierten DC/DC-Wandler der Serie IRE-Q12 von Murata verfügen über Selbstschutzfunktionen, um sicherzustellen, dass keine nachteiligen Auswirkungen durch höhere kapazitive Lasten auftreten (Abbildung 6). Zum Beispiel beinhaltet der IRE-12/10-Q12PF-C alle relevanten Selbstschutzfunktionen und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen von EN50155 zur Unterstützung der nominellen Batteriespannungen während eines Spannungsabfalls und unter transienten Bedingungen.

Abbildung 6: Die Wandler der Serie IRE-Q12 werden umfangreichen Tests unterzogen, um sicherzustellen, dass sie den rauen Umgebungsbedingungen standhalten, die typischerweise in Bahn- und Industrieanwendungen anzutreffen sind. (Bildquelle: Murata)

Die Wandler der Serie IRE-Q12 bieten einen isolierten 120W-Einzelausgang aus einem Eingangsspannungsbereich von 9 bis 36 Volt in einem branchenüblichen 1/8-Brick-Baustein mit branchenüblichem Footprint. Sie bieten außerdem zwei Grundplattenoptionen, eine für minimalen Platinenplatzbedarf, die andere mit einem geschlitzten Flansch zur mechanischen Befestigung an einem Kühlkörper.

Der Ausgang dieser DC/DC-Wandler kann um +/-10% abgeglichen werden, um schnelle Einschwingzeiten bei transienten Stufenlasten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden alle Wandler auf den reflektierten Eingangswelligkeitsstrom, den Eingangsklemmenwelligkeitsstrom und das Ausgangsrauschen geprüft und spezifiziert.

Standalone- und Array-Leistungsmodi

Die isolierten DC/DC-Wandler DCM2322 von Vicor, die von ungeregelten DC-Eingängen im Bereich von 9 Volt bis 50 Volt gespeist werden, erzeugen einen isolierten 28V-Ausgang (Abbildung 7). Sie basieren auf der DC-ZVS-Topologie (Double-Clamped Zero-Voltage Switching) des Unternehmens, die ihnen zu einem hohen Wirkungsgrad von 93% über den gesamten Eingangsspannungsbereich verhelfen.

Abbildung 7: Mit der DC-ZVS-Topologie können DCM2322-Wandler einen Wirkungsgrad von bis zu 93% erreichen. (Bildquelle: Vicor)

Die DC/DC-Wandlermodule (DCM), wie z.B. die DCM2322T50T3160T60, nutzen die thermischen und Dichtevorteile der ChiP-Gehäusetechnologie von Vicor, die die intern erzeugte Wärme gleichmäßig über die Oberfläche der Komponene verteilt. Durch Nutzung der thermischen und Dichtevorteile der ChiP-Gehäusetechnologie von Vicor bietet das DCM-Modul flexible Thermomanagement-Optionen mit sehr niedrigen thermischen Impedanzen auf der Ober- und Unterseite.

Die effiziente thermische Verteilung ermöglicht es den DCM-Komponenten, Verbindungen von einer Vielzahl ungeregelter Stromquellen zum Lastpunkt herzustellen. Sie bieten sowohl Eingangs- als auch Ausgangs-Überspannungsfehlerschutz und andere Fehlerbehandlungsmechanismen, die die Wandler abschalten, wenn ein Fehler erkannt wird (Abbildung 8).

Abbildung 8: Die DCM-Wandler erleichtern die Fehlerüberwachung und bieten Sicherheitsfunktionen wie Strombegrenzung und Sanftanlauf. (Bildquelle: Vicor)

Diese Eigenschaften ermöglichen es den DCM-Wandlern, eine geregelte Ausgangsspannung um eine definierte Nennlastlinie und Temperaturkoeffizienten herum zu liefern. Wenn die Innentemperatur des Wandlers ihren Grenzwert überschreitet, wird ein Temperaturfehler registriert, und der Wandler hört sofort auf zu schalten. Der Wandler wartet, bis die Innentemperatur wieder den vorgegebenen Schwellenwert erreicht hat, und startet dann erneut.

Darüber hinaus bieten diese DC/DC-Wandler eine integrierte EMI-Filterung, eine straffe Ausgangsspannungsregelung und eine sekundär referenzierte Steuerschnittstelle, wobei die grundlegenden Designvorteile der konventionellen Brick-Architektur erhalten bleiben.

In Anwendungen, die mehr Leistung erfordern, als ein einzelner DC/DC-Wandler liefern kann, wie z.B. in Datenzentren und Telekommunikationsgeräten, können mehrere Komponenten parallel eingesetzt werden. Mehrere DCM-Wandler können im Array-Modus parallel geschaltet werden, um durch Lastverteilung eine höhere Leistungskapazität zu erzielen, auch wenn sie mit unterschiedlichen Eingangsspannungen betrieben werden. Vicor hat Arrays mit bis zu acht DC/DC-Wandlern für 480 Watt Leistung qualifiziert.

Fazit

Für Entwickler von Stromversorgungen zur Unterstützung elektronischer Systeme für Industrie-, Medizin-, Transport- und Instrumentierungsanwendungen sind die Komplexität und die damit verbundenen Kosten vielfältig, von der Notwendigkeit weiter Eingangsspannungsbereiche bis hin zu Wärmemanagement und Lastverteilung. Wie sich jedoch gezeigt hat, haben sich DC/DC-Wandler zu immer kleineren, einfach zu installierenden, eigenständigen Stromversorgungen entwickelt, die viele dieser Komplikationen beseitigen.

Entwickler, die nach einer noch besseren Performance suchen, können dies durch Hinzufügen zusätzlicher Komponenten erreichen. Wo mehr Flexibilität erforderlich ist, sind außerdem zunehmend fernsteuerbare und programmierbare Funktionen verfügbar, um Impedanzkompensation durchzuführen und eine Vielzahl von Schutzfunktionen zu ermöglichen, um Durchbrennen zu vermeiden, auf transiente Bedingungen zu reagieren und den Stromverbrauch des Gesamtsystems zu reduzieren.

Weiterführende Literatur

1. Einführung in DC/DC-Wandler