Schwerpunkte

5 wichtige Power-Kriterien

Worauf müssen Entwickler von Stromversorgungen 2021 achten?

27. Januar 2021, 12:30 Uhr   |  Ute Häußler

Worauf müssen Entwickler von Stromversorgungen 2021 achten?
© Pixabay

Die Technologien entwickeln sich rasant, Parameter verändern sich. Der Entwicklungsprozess für Power-Ingenieure muss sich ebenfalls an neue Gegebenheiten anpassen. Doch welches sind 2021 die ausschlaggebenden Kriterien und worauf sollten Stromversorgungsentwickler ein besonderes Augenmerk legen?

Die Anwendungen für Entwickler in der Stromversorgung unterscheiden sich stark, die Praxis gibt den Ausschlag. Ob es um ein Hutschienen-Netzteil oder einen PoL-Wandler auf einem Microcontroller geht, hat einen großen Einfluss auf die Power-Kriterien, die Ingenieure in ihrem Alltag beachten müssen. So unterschiedlich das Design und der Aufbau der praktischen Anwendung sein mögen, anwendungsübergreifende „Pain Points“ ähneln sich in vielen Stromversorgungsprojekten. Aus dem Dialog mit fünf Power-Managern haben wir die 5 kritischsten Punkte gefiltert, denen Power-Designer ihre Aufmerksamkeit schenken sollten, um 2021 das Beste aus ihrer jeweiligen Applikation herauszuholen.

Power Woche Trends 2021
© Magic Power

»Die Stromversorgung der Zukunft ist auf Plug-and-Play ausgelegt«, sagt Frank Cubasch, Geschäftsführer bei Magic Power. Sowohl in der Nutzung wie auch bereits in der Entwicklung hilt ein modularer Aufbau mit fertigen Kompontenten den Design-Prozess kurz zu halten und die Stromversorgung kundenspezifisch anzupassen.

Skalierbarkeit

Natürlich werden Power-Entwickler in Abhängigkeit des Preis-Leistungsverhältnisses versuchen, die zum Design-Zeitpunkt bestmögliche Leistung für »ihre Applikation« herauszuholen. Doch neben der jetzigen Spitzenleistung und einem guten Wirkungsgrad, nach Frank Cubasch von Magic Power insbesondere auch bei kleinerer Auslastung und Baugröße, ist Skalierbarkeit das Kriterium der Stunde: für ein schnelles Upgrade zu mehr Leistung und weniger Time-to-Market für zukünftige Generationen. Für weniger Entwicklungsaufwand sorgt dabei vor allem ein modularer Aufbau der Power-Designs, der bei Bedarf mit Bauteilen der nächsthöheren Leistungsklasse neu bestückt werden kann. Viele Hersteller bieten ganze Komponenten-Familien an, die einen derartigen Umstieg vergleichsweise einfach machen. Auf den Punkt bringt es Philip Lolies von STMicroelectronics: »Ermöglichen Sie eine Leistungssteigerung« – ohne eine komplette Neuentwicklung.

Power Woche Trends 2021
© Vishay

Olaf Lüthje ist Senior VP Business Marketing bei Vishay.

Thermische Eigenschaften

Mit kleineren Designs und einer höheren Packungsdichte steigt der Arbeitstemperaturbereich in einigen Anwendungen auf 150° C bis 175° C. Damit verbunden ist laut Olaf Lüthje von Vishay eine »erhöhte Varianz der Bauelemente-Parameter«. Dazu gehören nach seinen Aussagen die Temperaturkoeffizienten von Widerständen, die Langzeitdrift, Zuverlässigkeit (MTBF), die Volumeneffizienz bzw. Leistungsdichte  sowie auch der damit verbundene Stress, dem Lötverbindungen ausgesetzt sind. Auch Frank Cubasch von Magic Power ruft Power-Entwickler dazu auf, auf eine flache Derating-Kurve – also die maximal zulässige Verlustleistung des elektrischen Bauteils in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur – zu achten. Aly Mashaly von Rohm spricht von der „thermischen Auslegung der diskreten SMD-Bauteile und Leistungsmodule“ als Kriterium, während Philip Lolies von STM schlicht sagt, dass bei der Komponentenauswahl neue Halbleitergenerationen ohne Beeinträchtigung der thermischen Leistung gewählt werden sollten.

Praxis-Tipp: Wählen Sie Leistungsinduktivitäten, welche kontinuierlich für höhere Temperaturen und höhere Ströme bei gleicher Baugröße oder entsprechend für gleiche Leistungen bei kleinerer Baugröße weiterentwickelt wurden.

Zusammenspiel mit WBG-Bauteilen

Für Power-Entwickler gibt es zwei grundlegende Pfade, nach denen sie ihr Anwendungsdesign ausrichten können: Höhere Leistungsdichte oder Erhöhung der Schaltfrequenz. Aly Mashaly von Rohm Semiconductor rät bei einer Erhöhung der Schaltfrequenz und dem Einsatz von Leistungshalbleitern mit breiter Bandlücke (Wide Band Gap, WBG), vor allem auf das Zusammenspiel der WBG-Bauteile und der passiven Komponenten zu achten. IGBTs oder MOSFETs auf Basis von SiC oder GaN können die Kosten für passive Bauelemente deutlich reduzieren. Die Herausforderung dieses Entwicklungsansatzes besteht für Power-Designer darin, die WBG-Komponenten derart zu betreiben, dass jederzeit die optimalen Betriebsbedingungen eingestellt werden können und ein aktives Aussteuern möglich ist.

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© Rohm

Aly Mashaly ist Direktor Power Systeme bei Rohm Semiconductor.

Zusätzlich sollte laut Mashaly auf einen niederinduktiven Aufbau der Schaltung geachtet werden: Bei schnellschaltenden Komponenten müssen die entstehenden parasitären Induktivitäten und deren Einfluss auf das Schaltverhalten berücksichtigt werden. Steilere Schaltflanken vergrößern den Einfluss der Rückkopplung, hohe Streuinduktivitäten tragen zusätzlich dazu bei. Durch niederinduktive Aufbauten wird der durch Streuinduktivitäten bedingte Anteil an der Rückkopplung verringert und die Schaltverluste vergrößern sich nicht.

EMV

Kleinere Designs auf weniger Bauraum sowie höhere Schaltfrequenzen sind eine Herausforderung für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Gesamtsystems. Nicht nur neue Packaging-Konzepte müssen der verbesserten Leistung Rechnung tragen. Frank Cubasch von Magic Power und Rohm’s Aly Mashaly weisen unisono darauf hin, ein schlüssiges und insbesondere anwendungsspezifisches EMV-Konzept bereits während der Design-Phase zu erarbeiten – und dieses bereits auf Herz und Nieren geprüft zu haben, bevor mit der Umsetzung begonnen wird. So bleiben die unerwünschten Überraschungen klein und Entwcikler können während des Testings an der Optimierung arbeiten – ohne wegen gravierender elektromagnetischer Störungen das Design neu aufsetzen zu müssen.

Smarte Denkweise

»Wer nicht wagt, der nicht gewinnt«, Steve Lambouses von Texas Instruments setzt neben der eigentlichen Technologie auf eine innovative Herangehensweise beim Aufsetzen des Designs. Seiner Meinung nach müssen Entwickler, die auf eine sprunghafte Verbesserung der Performance hinarbeiten, alte Denkpfade verlassen und auf neuere, disruptive Technologien setzen. Erfolgreich werden laut Lambouses letztendlich jene sein, die offen für neue Technologien sind. Er rät Power-Entwicklern deshalb »Seien Sie ein Early Adopter!«.

Power Woche Trends 2021
© Texas Instruments

Steve Lambouses ist VP High Voltage Power bei Texas Instruments.

Dabei sagt der VP High Voltage Power aus Dallas aber auch: »Die Zeit zum Herumdilettieren ist für Entwickler von Stromversorgungen definitiv vorbei. Es gibt am Markt mittlwerweile erprobte, schlüsselfertige Lösungen, die Entwicklern wirkungsvolle Starthilfe für Produktions-Designs geben können. Die Welt entwickelt sich mit wachsendem Tempo weiter, Power-Designer müssen smarte Wege gehen und jede erdenkliche erhältliche Hilfe annehmen.«

Dies gilt vorallem in immer komplexeren technologischen Designs. Wer eine Drohne bauen will, kennt sich eventuell mit deren Steuerungsmechanismen aus, nicht jeder ist jedoch laut Lambouses »ein geborener Stromversorgungs-Entwickler«. Seiner Meinung nach muss die Industrie Hilfsmittel, Schulung und Support beisteuern, um die Weiterentwicklung der Power-Elektronik voranzubringen. Bestenfalls mit modularen Bauteilen, für deren Impelementierung ein weniger dezidiertes Fachwissen benötigt wird.

Power Woche Trends 2021
© STMicroelectronics

Philip Lolies arbeitet als VP Marketing Analog / Sensor / Power bei STMicroelectronics.

Das Extra-Kriterium

Corona hat es im letzten Jahr verdeutlicht, die Automobilindustrie muss ihren Halbleitermangel gerade mit Kurzarbeit überbrücken: Die Lieferkette ist ein unverzichtbarer Bestandteil jeder Design-Planung. Philip Lolies von STM warnt unter diesen Voraussetzungen, insbesondere auf eine »robuste und wiederstandsfähige Lieferkette« zu achten, mit einer guten »Fertigungsflexibilität durch den richtigen Mix aus Eigen- und Fremdfertigung«.

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