Keine Kompromisse DC/DC-Wandler im Miniformat für cyber-physische Systeme

Durch die Konzentration auf effiziente Architekturen sorgen Unternehmen wie Aimtec und Murata für preisgünstigere und kleinere DC/DC-Wandler, die entsprechend den Anforderungen neuer Märkte wie IoT und cyber-physische Systeme keine Kompromisse bei anderen Faktoren wie der Isolierung oder der Nachverfolgbarkeit erzwingen.

Bisher lag der Schwerpunkt bei IoT auf der Vernetzung der Systeme – also wie Sensoren Daten in die Cloud liefern können. Aber eigentlich ist die lokale Steuerung und Autonomie viel wichtiger, die elektronische Steuerelemente bieten können. Dadurch wird es möglich, Roboter- und andere Bewegungsysteme mit Prozessoren an jedem Gelenk zu entwickeln. Dabei steuern Prozessoren Elektromotoren von winzigen Dimensionen als hochpräzise Regler bis hin zu großen Wechselstrom-Synchronmotoren mithilfe der neuesten Generation von IGBT-Konvertern und Brückenschaltungen.

Bei diesen Anwendungen sind geringe Kosten und Abmessungen extrem wichtig, da solche Systeme erfordern, dass deren Steuerung und Stromversorgung räumlich so dicht wie möglich an den von ihnen gesteuerten Subsystemen untergebracht sind. Das gilt ganz besonders für Point-of-Load (POL) Spannungswandler, um deren Vorteile der hohen Effizienz und geringen I2R-Verluste zu nutzen. Mittels der POLs erfolgt die hoch effiziente Spannungswandlung auf die z.T. benötigten Versorgungsspannungen von bis zu <1V verbunden mit hohen Strömen aus der Systemspannung erst unmittelbar vor dem Verbraucher.

Bei der Kostenreduzierung geht es nicht um eine Vereinfachung sondern um eine holistische Kostenreduzierung durch die Systemarchitektur, ohne wichtige Eigenschaften wie die galvanische Trennung (Isolierung) zu opfern. Branchen wie die Medizintechnik verlangen immer höhere Isolationsspannungen und Testverfahren, um die Sicherheit auch bei Gerätedefekten zu garantieren.

Wählt ein Systementwickler ein Schaltnetzteil mit geringer Isolierleistung z.B. nach der IEC 60950-1 zugelassen, muss er im Rahmen des wichtigen Standards für medizinische Systeme, der IEC 60601-1 3rd Edition, weitere Maßnahmen zum Schutz des Patienten (MOPP (means of patient protection)) vorsehen. Ist ein Netzteil nur auf den Schutz des Bedienpersonals (MOOP (means of operator protection)) ausgelegt und damit niedriger eingestuft als für den Patientenschutz, müssen weitere Isoliermaßnahmen vorgesehen werden, wenn ein Patient in Kontakt mit dem System kommen kann. Auch wenn die Kosten für ein solches Netzteil geringer sind, können die Systemkosten durch die zusätzlich erforderlichen Schutzmaßnahmen für Patienten letztendlich erheblich höher ausfallen.

Die Isolierung führt allerdings bei herkömmlichen Spannungswandlungen in der Regel zu einer niedrigeren Effizienz. Durch die Konzentration auf Wandler-Architekturen und innovative Entwicklungen, die besonders die Effizienz im Auge haben, bieten inzwischen Hersteller wie Aimtec und Murata Power Solutions Wandler an, die für die neuen cyber-physischen Systeme ausreichend klein und gut isoliert sind. Diese Produkte bieten vollständige Nachverfolgbarkeit in der Komponenten- und Produktionskette, was Hersteller meist nicht bieten können, die Kostenreduktionen nur durch minderwertige Komponenten erreichen.

Die Entwicklung effizienter DC/DC-Wandler zahlt sich gleich mehrfach aus. Verbesserungen in der Architektur erlauben den Einsatz neuartiger Magnete, FETs und Controller, die über einen erheblich breiteren Lastbereich effizienter arbeiten als ältere Entwicklungen. Aber nicht nur das: durch die geringeren Betriebstemperaturen und das Weglassen von bekannt problematischen Bauteilen arbeiten diese neuen Entwicklungen in einem breiteren Temperaturbereich zuverlässiger. So bietet die MMV-Serie von Murata zum Beispiel auch unter Volllast einen Betriebstemperaturbereich von –40 bis +85 °C. Diese Serie nutzt keine Elektrolyt- oder Tantalum-Kondensatoren, sondern besitzt eine Platz sparende SMD-Konstruktion mit eingekapselten Toroidal-Magneten. Zusätzlich bietet die MMV-Serie vollen Kurzschluss-Schutz und »Zero Load«-Betrieb.

Die neuen Architekturen erlauben größere Flexibilität in der Entwicklung, die führende DC/DC-Wandler-Hersteller künftig dazu nutzen können, Kunden genau die Produkte anzubieten, die sie brauchen. Kundenstudien haben ergeben, dass viele isolierte 1-W-DC/DC-Wandler häufig mit Lasten von 0,6 bis hinunter zu 0,25 W betrieben werden. Als Antwort darauf hat Murata die CMR- und CME-Serien mit einer Spitzenleistung von 0,75 W entwickelt. Für Systeme wie medizinische Instrumente und Präzisionsroboter, die galvanische Trennungen benötigen, bietet Murata die MGJ2-Serie an, einen 2-W-DC/DC-Wandler, der sich für die Versorgung der »High and Low Side«-Ansteuerung von IGBT-Systemen eignet, in ein SIP7-Paket passt und gleichzeitig eine Isolationsspannung von 5,2 kV bietet.

Hohen Isolierungsschutz bietet auch die AM1G-Z-Serie von Aimtec, ein hocheffizienter 6-W-DC/DC-Wandler in einem SIP8-Gehäuse und einer Isolationsspannung von 3 kV. Aimtec hat zahlreiche Mini-Konverter unter anderem für IoT- und cyber-physische Anwendungen entwickelt, die hocheffizient auch unter einem breiten Temperaturbereich von –40 bis +105 °C oder sogar –50 bis +125 °C arbeiten. Selbst bei 125 °C beträgt die Leistung noch 80% im Vergleich zum Wert bei 105 °C, was die Leistung dieser hocheffizienten Systeme eindrucksvoll bestätigt, die für nur begrenzte Aufheizung in cyber-physischen Anwendungen sorgen, die unter extremen Bedingungen funktionieren müssen.

Autoren:

Philip Lechner und Ralf Hägle, Avnet Abacus