DC/DC-Wandler mit ATX-Ausgängen Sollen wir uns trennen?

In Sachen DC/DC-Wandler mit ATX-Ausgängen teilt sich die technische Welt in zwei Lager. Die Kernfrage lautet: galvanisch getrennt oder galvanisch nicht getrennt? Nachfolgender Beitrag erörtert die detailliert Vor- und Nachteile beider Topologien.

von Heidrun Seelen, Vertriebsleiterin, und Frank Cubasch, Geschäfsführer von Magic Power Technology.

Der grundlegende Unterschied zwischen einem galvanisch getrennten DC/DC-Wandler und einem galvanisch nicht getrennten Wandler besteht, vereinfacht ausgedrückt darin, dass der galvanisch getrennte Wandler in seinem Aufbau einem Schaltnetzteil entspricht und somit entsprechende Isolation bietet. Diese galvanische Trennung realisieren ein Übertrager, der auf der Eingangsseite mit einem mittels pulsweitenmoduliertem Signal angesteuert wird, und ein Optokoppler, der die Ausgangsspannung auf die Primärseite zurückführt und so die Regelschleife schließt (Bild 1). Auf diese Weise bleiben die Ausgangsspannungen unabhängig von der Last konstant. Abgesehen von der fehlenden PFC-Stufe (Power Factor Correction), dem fehlenden Gleichrichter sowie der in der Regel geringeren Eingangsspannung ist der Wandler damit größtenteils identisch zu einem ATX-Netzteil bekannter Bauart.

Der Aufbau eines typischen nicht isolierten DC/DC-Wandlers mit ATX-Ausgängen ist deutlich einfacher (Bild 2). Die Eingangsspannung wird mittels Abwärtswandler auf +3,3 V und +5 V umgesetzt, und je nach Aufbau erzeugt ein Buck/Boost-Wandler die –12 V. Die +12 V werden der Eingangsspannung direkt entnommen und mittels MOSFET ohne weiteren Schutz auf den Ausgang geschaltet. Dies ist der Grund, warum die Eingangsspannungstoleranz eines nicht isolierten Wandlers mit 11,5 V bis 13 V im Vergleich zu einem isolierten Wandler mit 9 V bis 32 V sehr eng begrenzt ist. Allerdings ist ein solches Design kompakter und hat – bedingt durch die Topologie und fehlende Wandlung der +12 V – einen höheren Wirkungsgrad.

Für den Anwender relevante Unterschiede 

Durch die unterschiedliche Topologie sind bei nicht isolierten Versionen – zumindest für die Standardfunktionen – deutlich weniger und kleinere Bauteile notwendig als bei galvanisch getrennten Versionen. So ist allein der Übertrager der galvanisch getrennten Version etwa zehnmal größer als eine Drossel eines galvanisch nicht getrennten Wandlers und entspricht damit fast dessen gesamter Baugröße. 

Somit ist die galvanisch getrennte Version mit 128 mm × 81 mm × 40 mm deutlich größer als ein galvanisch nicht getrennter Wandler mit etwa 35 mm × 45 mm × 25 mm. Jedoch sind die Anschlüsse bei der galvanisch getrennten Version deutlich flexibler, weil sich der Eingangs- und Ausgangskabelsatz nach Kundenwunsch gestalten lässt. Der galvanisch nicht getrennte Wandler lässt sich dagegen nicht modifizieren.

Beide Wandlerkonzepte bieten Ausgangsleistungen von etwa 70 W bis 100 W. Die verschiedenen Topologien sind auch bei der Berechnung des Wirkungsgrades zu berücksichtigen. Denn während die isolierte Version auch die +12 V trennt und sie konstant hält, schalten die nicht isolierten Varianten diese Spannung direkt zum Ausgang durch. So ergeben sich zwei unterschiedliche Vergleiche des Wirkungsgrades: jeweils mit und ohne Einbeziehung der +12 V. In beiden Messungen zeigen die nicht getrennten Wandler den höheren Wirkungsgrad. Ursachen hierfür sind unter anderem die fehlende Wandlung der +12 V und die vereinfachte Schaltungsstruktur.

Ein ganz anderes Bild ergibt sich, wenn die Anwendung an einem 24-V-Industrienetz betrieben werden soll. Während die galvanisch getrennte Version direkt an den die 24-V-Versorgung angeschlossen werden kann, ist es bei der galvanisch nicht getrennten Version notwendig, entweder einen DC/DC-Wandler von 24 V auf 12 V vorzuschalten oder auf einen nicht isolierten Wandler mit 24-V-Eingang zurückzugreifen, der die 12 V gleichzeitig mitwandelt.

Diese Art von nicht getrennten Wandlern ist jedoch im Aufbau deutlich größer und teurer. Durch den hohen Unterschied zwischen Ein- und Ausgangsspannung sinkt dabei auch der Wirkungsgrad eines nicht getrennten Wandlers. Die Vorteile gegenüber der galvanisch getrennten Version werden somit bei dieser Betriebsart wieder aufgewogen.

In Sachen MTBF (Mean Time Between Faliures) erreicht der isolierte Wandler mit 130.000 Stunden bei +50 °C einen deutlich höheren Wert als der nicht isolierte Wandler mit 50.000 Stunden.