DC/DC-Wandlermodule Bricks richtig ausgewählt

Die Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen, die breite Palette an DC/DC-Wandlern und der Vergleich von Datenblättern machen deren Auswahl zu einer Herausforderung. Gerade »Bricks« haben sich in Sachen Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Funktionsdichte in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt. Es folgen die sieben wichtigsten Überlegungen zu deren Auswahl.

Leiterplatten-montierte Wandlermodule, auch »Bricks« genannt, sind jetzt in sechs Größen - vom Half-Brick bis zum 1/32-Brick - erhältlich. Tabelle 1 zeigt die Abmessungen der gängigsten Bricks und stellt die maximale Leistung eines jeden Formats dar, obwohl dieser Wert ständigen Änderungen unterlegen ist. Die sieben wichtigsten Parameter zur Auswahl einer solchen Stromversorgung sind Ausgangsleistung, Wirkungsgrad, Wärmemanagement, Art der Last, Eingangsspannungsbereich, Abgleich der Ausgangsspannung und Isolierung.

Einige sind miteinander verknüpft, und die relative Bedeutung der einzelnen Punkte hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Im Folgenden wollen wir auf jeden dieser Parameter eingehen.

Ausgangsleistung

Wie Tabelle 1 zeigt, bietet ein 1/16-Brick heute bereits 66 W Leistung, während Half-Bricks Ausgangsleistungen bis zu 450 W liefern. Die verfügbare Leistung jeder Standard-Brick-Größe hat sich seit der Einführung dieser Produk-te vor 25 Jahren stetig erhöht. Ein Half-Brick wird in absehbarer Zeit 1 kW wandeln können, da die Technologie zwei bis drei Prozent Verbesserung beim Wirkungsgrad ermöglicht, geschuldet vor allem den Fortschritten bei den Bauteiltechnologien und Materialien (vor allem bei magnetischen Bauteilen).

Gehäuse
Leistung / W
Abemssungen / mm
1/2-Brick
450
60,9 x 58,4 x 10,2
1/4-Brick
300
36,8 x 58,4 x 10,2
1/8-Brick
120
22,9 x 58,4 x 10,2
1/16-Brick
66
22,9 x 33,0 x 10,2
Tabelle 1: Die Leistungsdichte von DC/DC-Wandlern hat sich so weit verbessert, dass selbst ein kleiner 1/16-Brick-Wandler an die 66 W Leistung bereitstellt

Bei der Wahl der am besten geeigneten Leistung sollte der Tastgrad (duty cycle), den die Last auf den Wandler ausübt sowie das betriebliche Umfeld beachtet werden - vor allem in Bezug auf die Umgebungstemperatur. Datenblätter beziehen sich meist auf den Dauerbetrieb bei einer Umgebungstemperatur von +25 °C. Wird die volle Leistung nur für bestimmte Zeit benötigt, kann auch ein kleinerer DC/DC-Wandler ausreichen.

Damit lassen sich Kosten sparen, und der Betrieb erfolgt nahe Volllast, wo die Stromversorgung meist am effizientesten arbeitet. In der Regel lohnt es sich, die Entwicklungsarbeit mit einem Wandler durchzuführen, der eine Leistungsreserve bietet, um dann für den eigentlichen Wandler auf den passenden Leistungswert herunter zu skalieren, sobald die Anforderungen der Applikation vollständig evaluiert sind. Auf diese Weise lassen sich nach Abschluss der Entwicklung auch Fehleinschätzungen hinsichtlich des Platzbedarfs eines Wandlers verhindern.

Wirkungsgrad

DC/DC-Wandler arbeiten am effizientesten, wenn sie nahe ihrer Nennleistung betrieben werden. Je größer die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung ist, desto weniger effizient ist der Wandlungsprozess. Bei niedrigen Lasten sollte die Wirkungsgradkurve überprüft werden, genauso wie die Betriebsumgebung, wenn es um die Abschätzung geht, wie viel Wärme vom Gerät abzuleiten ist.

Kleine Differenz, große Wirkung

Isolierte DC/DC-Wandler erzielen heute Wirkungsgrade zwischen 80% und 97,5%. Dabei sollte man einen Unterschied von einem Prozentpunkt nicht unterschätzen. Weist ein Wandler einen Wirkungsgrad von 91% anstelle von 90% auf, muss von der Stromversorgung etwa 10% weniger Wärme abgeführt werden.

Mit dem Datenblatt lässt sich bestimmen, ob bei einer entsprechenden Leistung eine Umluftkühlung (convection cooling) ausreicht oder eine Zwangskühlung (forced cooling) erforderlich ist. Isolierte DC/DC-Wandler sind weniger effizient als nicht isolierte Varianten, da Isolationskomponenten inhärent einige zusätzliche Verluste erzeugen.

Wärmemanagement

Leistung, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Betriebsumgebung beeinflussen die Anforderungen an das Wärmemanagement eines Systems. Man kann wesentlich kleinere Systeme fertigen, wenn ein Lüfter für eine forcierte Luftkühlung mit integriert wird. Das Hinzufügen solcher elektromechanischen Bauteile verringert jedoch die MTBF (Mean Time Between Failures), da sich diese Art von Komponenten abnutzt.

Das Hinzufügen eines Lüfters verursacht auch zusätzliche Kosten, akustische Geräusche und Wartungsaufwand und sollte somit vermieden werden - es sei denn, die Größenbestimmungen machen ihn zwingend erforderlich. Ein Betrieb des Systems bei höheren Temperaturen ist immer möglich; als Daumenregel gilt aber, dass jede Umgebungstemperaturerhöhung um 10 K die Lebensdauer der Komponenten halbiert. Eine Wärmeableitung (conduction cooling) über eine Bodenplatte ist dann von Vorteil, wenn die Stromversorgung auch für diesen Ansatz konzipiert wurde.

Bild 1 zeigt einen solchen DC/DC-Wandler. Eine Bodenplatte wird normalerweise verwendet, um einen Wärmeableiter in ein umluftgekühltes System einzubringen, wo wenig oder gar kein Luftstrom vorhanden ist.

Einige Entwickler befestigen die Bodenplatte mit dem DC/DC-Wandler am Gerätegehäuse oder an einer Kühlplatte. Andere befestigen einen zusätzlichen Kühlkörper an die Bodenplatte, um so die Wärmeableitung zu verbessern. Eine Kombination aus Bodenplatte und forcierter Luftkühlung kann auch zum Einsatz kommen, um eine möglichst hohe Ausgangsleistung zu erzielen.