Stromversorgung
DC/DC-Wandler-Module mit smartem Funktionen für Industrieanwendungen
Moderne Fabriken setzen bei der Stromversorgung ihrer industriellen Anlagen häufig auf einen 24-V-DC-Bus. Viele Funktionseinheiten in den einzelnen Maschinen erfordern jedoch eine niedrigere Spannung.
Mit DC/DC-Wandler-Modulen lassen sich diese zuverlässig, EMV-konform und effizient mit passenden Betriebsspannungen versorgen.
Moderne Industrieanlagen wie z.B. Automatisierungssysteme, industrielle Robotik, Lagerlogistik setzen heute eine Vielzahl von Sensoren, Aktoren und Steuergeräten ein. Diese wiederum erfordern eine präzise Spannungsregelung, um die Funktion und Zuverlässigkeit der Systeme zu gewährleisten. Zwischengeschaltete DC/DC-Buskonverter sind dabei in industriellen Anwendungen unverzichtbar, da sie eine zentrale Rolle bei der Sicherstellung einer stabilen und effizienten Energieversorgung spielen (Abbildung 1).
Abbildung 1: Konfiguration der Stromversorgung mit zwischengeschalteten Buskonvertern.
In modernen industriellen Umgebungen, die durch eine Vielzahl von Geräten und Systemen mit hohen Anforderungen an die Versorgungsspannung gekennzeichnet sind, ist die Fähigkeit zur präzisen Spannungsumwandlung von entscheidender Bedeutung. Die zwischengeschalteten Buskonverter ermöglichen es, eine oftmals schwankende DC-Busspannung in eine stabile Ausgangsspannung umzusetzen, die spezifisch auf die Anforderungen von Maschinen, Steuerungssystemen und anderen elektrischen Lasten abgestimmt ist.
Ein wesentlicher Vorteil dieser DC/DC-Wandler ist ihre Fähigkeit, die Energieeffizienz zu maximieren, indem sie Verluste minimieren und die Systemzuverlässigkeit erhöhen. Dies wird maßgeblich durch die folgenden Eigenschaften erreicht:
1. Vereinfachung der Systemkomplexität,
2. Optimiertes EMV-Verhalten durch symmetrisches Layout
3. Synchronisierung der DC/DC-Power-Module verbessert EMV-Verhalten
Vereinfachung der Systemkomplexität
Je mehr Komponenten zum Aufbau eines Systems benötigt werden, desto mehr sinkt die Zuverlässigkeit des Systems. Der beste Ansatz ist also die Anzahl der erforderlichen Bauteile zu minimieren. Im Bereich der DC/DC-Wandlung bedeutet dies einen Übergang von einem diskreten zu einem hochintegrierten Ansatz.
Der Entwurf eines diskreten Wandlers erfordert mindestens die folgenden Schritte:
Entwurf des DC/DC-Wandlers selbst
Auswahl der Topologie
Auswahl des Controller-IC
Berechnung und Auswahl der Leistungsbauteile (MOSFET, Diode, Induktivität)
Berechnen und Auswählen der Eingangs- und Ausgangskondensatoren
Entwicklung eines Prüfstands
Optimierung für eine stabile Regelung über den gesamten Eingangs-/Ausgangsspannungs- und Laststrombereich
Layout-Routing für gutes EMV- und Wärmeverhalten
Validierung des Gesamtentwurfs für eine einfache Fertigung
Pre-Compliance-Tests für EMV und Sicherheit
Logistikkette und Produktionssicherheit
Alle diese erwähnten Schritte des diskreten DC/DC-Wandler-Entwurfs wurden bereits bei einem "MagI³C-Power Modul" durchgeführt. Das EMV-Verhalten und die thermische Leistung lässt sich mit dem kostenlosen Online-Design-Tool REDEXPERT [1] im Voraus abschätzen. Diese Daten ermöglichen es den Designern, ein Modul gezielt auf der Basis von elektrischen Spezifikationen der Anwendung auszuwählen und damit alle zuvor genannten Designschritte zu vermeiden. Der Einsatz eines Power-Moduls aus der VDLM-Familie verkürzt die gesamte Markteinführungszeit und spart gleichzeitig Design-Ressourcen. Die DC/DC-Power-Module mit einem Eingangsspannungsbereich bis 36 Vdc und einem Ausgangsstrom von 4 bzw. 5 A bieten eine Lösung mit hoher Leistungsdichte, die darauf ausgelegt ist, die hohe geforderte Leistung auf kleinstem Raum bereitzustellen [2].
Optimiertes EMV-Verhalten durch symmetrisches Layout
Viele moderne DC/DC-Power-Module arbeiten mit hohen Schaltfrequenzen. Eine hohe Schaltfrequenz ermöglicht es, die Größe eines DC/DC-Wandlers zu reduzieren, da sie die Verwendung kleinerer passiver Komponenten wie Induktivitäten und Kondensatoren erlaubt. Bei höheren Frequenzen können diese Komponenten mit geringeren Werten arbeiten, da die Energie pro Schaltzyklus schneller übertragen wird. Dies führt zu einer Reduzierung der physischen Größe der Komponenten, was den gesamten Wandler kompakter macht.
Damit geht einher, dass ein gut durchdachtes Layout mit minimalen parasitären Komponenten unabdingbar ist.
Abbildung 2: Prinzipieller Aufbau eines Tiefsetzstellers (Buck converter).
Jede Leiterbahn, jedes Bauteil und jede Platzierung – wie im Schaltplan in Abbildung 2 dargestellt –, die sich mit einem Layout-Tool wie Altium planen lässt, entspricht einem realen Element im physikalischen Aufbau. Dieses weist parasitäre Eigenschaften auf, die sich nachteilig auf die Anwendung auswirken können.
Eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte (PCB) weist verschiedene parasitäre Eigenschaften auf - darunter parasitäre Induktivität, parasitäre Kapazität und ohmschen Widerstand. Im Folgenden stehen insbesondere die Auswirkungen der parasitären Induktivität einer Leiterbahn im Fokus und es wird gezeigt, wie sich diese durch einen symmetrischen Layoutansatz minimieren lassen. Die parasitäre Zuleitungsinduktivität eines Tiefsetzstellers kann mehrere nachteilige Effekte verursachen:
Spannungsspitzen (Overshoot)
EMV-Probleme
Leistungsverluste
Schwingungen (Ringing)
Spannungsspitzen (Overshoot): Die parasitäre Induktivität kann während der Ein- und Ausschaltvorgänge der Transistoren (MOSFETs) Spannungsspitzen verursachen. Diese Spannungsspitzen können die Bauteile beschädigen oder die Effizienz des Konverters deutlich verringern.
EMV-Probleme: Die parasitäre Induktivität kann elektromagnetische Felder verursachen, die in benachbarte Stromkreise eingekoppelt werden und ggf. sogar andere, sich in der Nähe befindliche elektronische Geräte stören.
Um diese Auswirkungen zu minimieren, ist es wichtig, das Layout der Schaltung sorgfältig zu gestalten und geeignete Bauteile auszuwählen, um die effektive parasitäre Induktivität zu reduzieren.
Hierzu bietet sich ein Vergleich eines klassisch linearen Layouts mit einem symmetrischen Layout in Bezug auf die vorhandenen parasitären Induktivitäten an (siehe Abbildung 3 und Abbildung 4).
Abbildung 3: Vereinfachte Stromlaufpläne mit parasitären Zuleitungsinduktivitäten für lineares Layout (links) und ein symmetrisches Layout (rechts).
In Abbildung 3 sind zur Vereinfachung die VIN- und GND-Induktivität durch die Gesamtinduktivitäten LPa_1 und LPA_2 dargestellt.
Abbildung 4: Lineares Layout (links) im Vergleich zu symmetrischem Layout (rechts).
Technisch gesehen, induziert die Induktivität eine Spannung, wenn der durch sie fließende Strom plötzlich unterbrochen wird. Diese Spannung ist proportional zur Geschwindigkeit der Stromänderung, siehe hierzu Gleichung 1.
VL ist somit die Quelle der EMV-Störungen. Maßgeblich geht hier die parasitäre Induktivität in die Gleichung ein, diese sollte deshalb durch ein gut durchdachtes Layout möglichst minimiert werden.
Zur Bestimmung der parasitären Induktivitäten des Layouts wurden beide Layoutvarianten in ANSYS simuliert. Für die Induktivitäten bei der Schaltfrequenz 1,7 MHz ergeben sich die Werte wie in Tabelle 1 und 2:
Tabelle 1: ANSYS-simulierte Werte für die parasitäre Induktivität der Leiterbahnen – lineares Layout.
Tabelle 2: ANSYS simulierte Werte für die parasitäre Induktivität der Leiterbahnen - symmetrisches Layout.
Zum besseren Verständnis der Ergebnisse der Simulation und inwieweit sie die induzierte Spannung beeinflussen, werden die beiden Stromlaufpläne aus Abbildung 3 modifiziert. Das Resultat ist in Abbildung 5 gezeigt.
Abbildung 5: Vergleich der Stromläufe eines linearen- (links) und eines symmetrischen (rechts) Layouts.
Im linearen Layout addieren sich die parasitären Induktivitäten LPa_1 und LPa_2 im Gegensatz zum symmetrischen Layout. Hier liegen die beiden parasitären Induktivitäten LPa_1 und LPa_2 parallel, sodass sich der effektive Wert halbiert. Durch die halbierte parasitäre Induktivität reduziert sich auch der Wert der induzierten Spannung VL, wodurch auch die EMV-Störungen reduziert werden.
Die parasitäre Induktivität der CIN (MLCCs) fließt hier nicht in die Betrachtung mit ein, da es hier um einen Vergleich der verschiedenen Layoutvarianten geht. Sowohl beim linearen wie auch beim symmetrischen Layout wurden die gleichen MLCCs als CIN verwendet.
Abbildung 6 zeigt zur Verdeutlichung der Auswirkungen den Vergleich zwischen einem linearen und einem symmetrischen Layout. Die Messergebnisse zeigen jeweils die Störspannung am Gleichspannungseingang des DC/DC-Power-Moduls).
Abbildung 6: Messung der Störspannung im Bereich von 150 kHz bis 30 MHz, Vergleich lineares Layout Detail C (links) gegenüber symmetrischem Layout Detail D (rechts).
Vergleicht man das Spektrum beginnend mit der Schaltfrequenz bei 1,7 MHz, so ist eine Reduzierung der Störpegel von ca. 4,5 dBµV zu erkennen.
Sync-Modus verbessert EMV-Verhalten
Die DC/DC-Power-Modul-Familie VDLM 1710x3601 besteht aus vollintegrierten DC/DC-Wandlern, die den Schaltregler-IC mit integrierten MOSFETs, Kompensation sowie eine abgeschirmte Induktivität in einem Gehäuse vereinen. Grundsätzlich verursachen bei jedem DC/DC-Wandler, ob diskret oder wie beim Power-Modul vollintegriert, die Schaltvorgänge der MOSFETs EMV-Störungen. Basierend auf der Schaltfrequenz können diese Störungen in der EMV-Messung z.B. als leitungsgebundene harmonische Störamplituden auftreten. Werden nun mehrere DC/DC-Wandler in einer „Power-Tree“-Konfiguration nach Abbildung 1 eingesetzt, kann es zu zwei „EMV-Effekten“ kommen:
Schwebungen
Positive Überlagerung der Eingangsströme
Unter einer Schwebung versteht man bei sinusförmigen Wellen die Interferenz zweier Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen, die nahe beieinander liegen. Dadurch, dass die beiden Frequenzen ähnlich sind, kommt es abwechselnd zur konstruktiven und destruktiven Interferenz. Als Resultat ändert sich die Amplitude der resultierenden Welle periodisch. Diese Überlagerungen sind im Spektrum der EMV-Messung als Amplituden zu sehen, die niedriger als die Schaltfrequenz liegen. Gleichung 2 zeigt hier den Zusammenhang für zwei verschiedene Frequenzen:
Die trapezförmigen Eingangsströme der DC/DC-Wandler-Power-Module können wiederum durch eine Fourier-Analyse in ihre sinusförmigen Komponenten zerlegt werden. Gleichung 2 kann jedoch auch als erste Abschätzung für DC/DC-Power-Module mit nicht sinusförmigem Eingangsstrom angewendet werden.
Werden also in einer Anwendung z.B. zwei DC/DC-Wandler mit einer Schaltfrequenz von 1000 kHz und 1100 kHz kombiniert, entsteht eine Schwebung mit einer Frequenz von 50 kHz im System. Der Frequenzunterschied kann auch dann entstehen, wenn zwei DC/DC-Wandler trotz „gleicher“ Schaltfrequenz aufgrund interner Toleranzen typischerweise um ±10% abweichen.
Eine positive Überlagerung der Eingangsströme entsteht, wenn beide Power-Module exakt zur gleichen Zeit schalten, siehe hierzu Abbildung 7. Die Module werden dazu im sog. Sync-Modus betrieben.
Abbildung 7: Überlagerung der Eingangsströme im Sync-Modus.
Im Sync-Modus fließt der maximale Spitzenstrom im Eingangskreis, was wiederum zu einer maximalen Spitze im Amplituden-Störspektrum führt.
Weiterführende Information und Grundlagen zum Schaltverhalten eines nicht isolierten DC/DC-Power-Moduls sind im „ABC der Power-Module“ [3] nachzulesen. Weiterführende Information zur Filterung von DC/DC-Wandlern sind im „DC/DC Converter Handbook“ [4] beschrieben.
Vorteile der VDLM Power-Module
Die vorgestellten Konzepte zeigen, dass moderne DC/DC-Power-Module wie die der VDLM-Serie die Anforderungen industrieller Anwendungen effizient erfüllen können. Durch die Integration aller relevanten Komponenten in einem Gehäuse wird die Designkomplexität reduziert, was eine schnellere Produktentwicklung und höhere Zuverlässigkeit ermöglicht. Ein durchdachtes, insbesondere symmetrisches Layout wie bei den VDLM 171043601 & 171053601, minimiert parasitäre Induktivitäten und verbessert das EMV-Verhalten. Simulationen und Messungen zeigen Vorteile gegenüber klassischen linearen Layouts. Die Synchronisierung mehrerer Module erfordert gezieltes Frequenzmanagement, um Schwebungen und Stromüberlagerungen zu vermeiden, was EMV-Störungen reduziert. Die Lösungen bieten hohe Leistungsdichte bei kompakter Bauweise und sind ideal für anspruchsvolle Industrieumgebungen, wodurch sie zur Optimierung moderner Energieversorgungssysteme beitragen.
((Literatur))
[1] Magi3C-Module in der Online-Simulations-Plattform RedExpert: https://we-online.com/re/
[2] Datenblätter für die MagI³C-VDLM MicroModules von Würth Elektronik: https://www.we-online.com/de/components/products/MAGIC-VDLM
[3] ABC der Power-Module. Fachbuch von Würth Elektronik: https://www.we-online.com/de/components/products/ABC_OF_POWER_MODULES_GERMAN
[4] DC/DC Converter Handbook. Fachbuch von Würth Elektronik: https://www.we-online.com/de/components/products/DCDC_CONVERTER_HANDBOOK
((Autor))
Timur Uludag erwarb seinen Abschluss eines Dipl.-Ing. in Mechatronik an der Fachhochschule Regensburg, Deutschland. Anschließend arbeitete er mehrere Jahre als Hardware-Ingenieur auf den Gebieten Schaltnetzteile und analoges Schaltungsdesign. Seit 2015 ist Uludag als Senior Technical Marketing Manager bei der Würth Elektronik eiSos Gruppe in der Geschäftseinheit MagI³C Power Modules tätig. Dort ist er auf die Roadmap-Planung und Markteinführung neuer Leistungsmodule spezialisiert.
