Spannungswandlung

Gibt es eine »Commoditisierung« in diesem Bereich?

6. September 2021, 10:19 Uhr | Von Frederik Dostal

Spannungswandler werden in so gut wie allen elektrischen Geräten eingesetzt. Sie werden seit vielen Jahren entworfen und auf die jeweiligen Einsatzbedingungen angepasst. Gibt es heute noch eine Differenzierung von Hersteller zu Hersteller?

Vor ca. 20 Jahren befand sich ein großer Teil der Stromversorgungsbranche gerade im Umbruch, und zwar weg von Linearreglern (LDOs) hin zu wesentlich effizienteren Schaltreglern. Danach wurden immer wieder Stimmen laut, dass das Geschäft der Stromversorgungen nun keine großen Innovationen mehr hervorbringen kann und sich die weitere Entwicklung nur noch in eine Richtung entwickeln wird: Niedrigere Kosten.

Es gibt Anwendungen, bei denen eine einfache Spannungswandlung ausreichend ist. Hierfür gibt es ein breites Angebot von Spannungswandlern, die sich technisch kaum unterscheiden und die Preise für einen Linearregler im Bereich von einigen wenigen Eurocent liegt. Auch einfache Schaltregler sind für nur wenige Cent zu bekommen, bieten aber wesentliche Vorteile wie eine erhöhte Effizienz und höhere Ausgangsströme.

Für die meisten Anwendungen hat sich jedoch die Prophezeiung, dass sich im Bereich der Spannungsversorgungen keine Innovation mehr zeigt, nicht bewahrheitet. Selbst bei günstigsten Werbeartikeln sollte die Qualität der Spannungswandlung eine entscheidende Rolle spielen. Ein Beispiel: ein USB-Ladeadapter für den Zigarettenanzünder im Auto. In manchen Fällen sind (Standard) Schaltregler verbaut, um die Verlustwärme bei dieser hohen Leistung zu reduzieren, nur leider führen manche dieser USB-Adapter zur Störung des Autoradios. Und zwar genau dann, wenn bei der Auswahl des Schaltreglers eher auf den Preis geachtet und nicht auf eine niedrige EMV-Abstrahlung wurde.

Innovationen bringen Mehrwert

Es hat sich gezeigt, dass Innovationen im Bereich der Spannungswandlung durchaus lohnenswert sind und sich im Markt bezahlt machen, weil diese Lösungen zu qualitativ hochwertigeren Produkten führen. In den meisten Anwendungen ist ein Spannungsregler also nicht zur »Commodity« geworden.

Erhöhung der Wandlungseffizienz

Energie kostet Geld. Egal, ob diese Kosten an einen Strombetreiber gezahlt werden, Batterien gekauft werden müssen oder Aufwand betrieben wird, um beispielsweise Solarzellen für ein Photovoltaiksystem herzustellen. Bei allen Spannungsversorgungen ist die Wandlungseffizienz wichtig, manchmal sogar entscheidend.

Die Energieverluste bei der Spannungswandlung führen zu einem weiteren Problem, der Entwärmung von Systemen. Es kann teuer werden, wenn zusätzliche Wärmebleche und Lüfter verbaut werden müssen. Auch ist die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit einer elektronischen Schaltung üblicherweise stark von der Betriebstemperatur abhängig.

Die Effizient zu erhöhen, ist im Prinzip in allen Spannungswandlungen ein Innovationsziel, angefangen bei besonders kleinen Leistungen, wie bei Energy Harvesting oder Batterie betriebenen Anwendungen bis hin zu hohen Leistungen, wie bei Netzteilen im kW-Bereich. Vor 20 Jahren war eine Wandlungseffizienz eines Schaltreglers von 85 Prozent sehr gut, heute sind bei vielen Anwendungen 93 Prozent noch nicht genug. Dieser Trend wird nicht enden. Das nicht so einfach zu erreichende Ziel werden immer die 100 Prozent Wandlungseffizienz bleiben, also keinerlei Verluste bei der Spannungswandlung.

Eine Effizienzerhöhung lässt sich vielfach erreichen. Zum einen können RDSon, also der Leitungswiderstand der Schalter sowie deren Gate-Kapazität verringert werden. Auch kann die Geschwindigkeit des Schaltüberganges erhöht werden, was die Schaltverluste verringert. Viele solcher Verbesserungen bieten neue Schaltertechnologien wie beispielsweise GaN und SiC.

Weitere Möglichkeiten sind die Reduzierung der Verluste in den verwendeten passiven Komponenten wie beispielsweise der Induktivität und der Kondensatoren.

Neben diesen offensichtlichen Stellschrauben gibt es aber auch alternative Ansätze was die Schaltregler-Topologie betrifft. Ein Beispiel ist der LTC7821 Hybrid-Konverter von Analog Devices. Es ist die Kombination einer Ladungspumpe und eines abwärtswandelnden Schaltreglers, um sehr hohe Effizienzen zu erreichen: Bei einer Wandlung von 48 auf 12 V bei 20 A Ausgangsstrom ist mit 500 kHz Schaltfrequenz eine Wandlungseffizienz von 97,3 Prozent möglich. Die Ausgangsleistung von 240 W wird mit handelsüblichen Silizium-MOSFETs erzeugt. Bild 1 zeigt das abwärtswandelnde hybride Konzept. Die Verluste sind so gering, weil die Ladungspumpe mit einer sehr hohen Effizienz arbeitet und der nachgeschaltete Buck-Regler durch eine bereits halbierte Versorgungsspannung in einem optimalen Spannungsbereich arbeiten kann.