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Technologiewandel bei DC/DC-Wandlern

23. Oktober 2020, 11:04 Uhr | Von Lars Foerster, DC/DC Business Development Manager EMEA bei TDK-Lambda

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Technische Anforderungen ändern sich

Technologiewandel und Kommerzialisierung bei Netzwerk- und Telekommunikationssystemen haben die Art und Weise, wie DC/DC-Wandler eingesetzt werden, und damit auch die technischen Anforderungen verändert. Dies hat in den zurückliegenden zwei Jahrzehnten zur Entwicklung neuartiger Distributed Power Architectures (DPA) geführt. So ist die Versorgungsspannung für ASICs, FPGAs und andere Mikroprozessoren von anfänglichen 5 V auf mittlerweile unter 1 V gesunken. Ursprünglich versorgten AC/DC-Netzteile mit 24 V oder 48 V Ausgangsspannung galvanisch getrennte DC/DC-Wandler.

Mittlerweile wurden diese durch kostengünstigere, nicht isolierte PoL-Wandler (Point of Load) weitgehend verdrängt. Diese sitzen unmittelbar neben dem zu versorgenden Prozessor, da nur so dessen Betriebsspannung unter hohen dynamischen Lastanforderungen präzise auszuregeln ist. Viele Datacom- und Computersysteme setzen jetzt auf eine AC/DC-Stromversorgung mit 12 V, um damit PoLs mit Weitbereichseingang für sowohl 5 V als auch 12 V Nennspannung zu versorgen. Auf die galvanische Trennung in den PoLs kann verzichtet werden, da die erforderlichen Isolationsstrecken bereits durch das vorgeschaltete AC/DC-Netzteil sichergestellt werden. Dies gilt in gleicher Weise für medizinische Anwendungen.

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In den letzten Jahren haben die großen Halbleiter-Hersteller vollintegrierte Controller-ICs zum einfachen Aufbau von nicht isolierten DC/DC-Wandlern auf den Markt gebracht. Für kleinere Leistungen stehen mittlerweile sogar vollintegrierte Reglerbausteine in Standard-IC-Formaten zur Verfügung. Unter Zuhilfenahme eines ausführlichen Handbuchs zur erforderlichen Grundbeschaltung soll damit jeder Leiterplattendesigner in die Lage versetzt werden, seinen eigenen DC/DC-Wandler zu entwickeln. Große Entwicklungsabteilungen mögen über das erforderliche Know-how verfügen, um auf Basis dieser Topologien ihren eigenen DC/DC-Wandler zu entwickeln. Auf den ersten Blick scheint dies der ideale Ansatz, um einen exakt auf die jeweilige Anforderung zugeschnittenen DC/DC-Wandler mit obendrein optimierten Kosten zu entwickeln.

Es ist aber nicht damit getan, die erforderlichen Induktivitäten und Keramik-Vielschichtkondensatoren im Umfeld des vollintegrierten Reglers möglichst platzsparend anzuordnen. Dynamische Lastprofile und die Anforderungen zur Einhaltung von EMV-Grenzwerten können schnell zu einer ausufernden Evaluierungsphase führen, bis der Wandler endlich unter allen Einsatzbedingungen und, nicht zu vergessen, über den gesamten Betriebstemperaturbereich zuverlässig arbeitet. Auch hier steckt der Teufel, wie so oft, im Detail und man sollte als Entwickler den Aufwand für die auf den ersten Blick recht überschaubare Außenbeschaltung nicht unterschätzen. Ein kompletter Standard-DC/DC-Wandler vom Spezialisten kann in der Endabrechnung dann doch sowohl die insgesamt kostengünstigste als auch kompakteste und zuverlässigste Lösung darstellen.

Vor Kurzem wurden neuartige, nichtisolierte DC/DC-Wandler mit bisher nicht verfügbarem Leistungsniveau auf den Markt gebracht. Diese neuen Typen sind entweder als reiner Buck-Regulator (Abwärtswandler) oder auch als Buck-Boost-Regulator erhältlich. Bei einem Buck-Regulator (Abwärtswandler) muss die Eingangsspannung stets einige Volt höher als die benötigte Ausgangsspannung liegen. Im Gegensatz dazu ist eine Buck-Boost-Stufe in der Lage, ihre Ausgangsspannung sowohl aus einer höheren als auch aus einer geringeren Eingangsspannung zu erzeugen.