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Die MTU1-Produktreihe verbessert die Möglichkeit der Ausgangslastregelung erheblich.
Das würfelförmige Gehäuse des MTU1 erzielt MSL1-Rating und vereinfacht die automatisierte Montage.
Die DC/DC-Wandler erreichen oder übertreffen 80 Prozent Wirkungsgrad ab etwa 40 Prozent der zur Verfügung stehenden Ausgangsleistung.
Ann-Marie Bayliss, Produkt Marketing Manager von Murata PS zum MTU1: "Durch die flache Oberseite der Würfelform ist eine einfache Handhabung gewährleistet."

Mit ihrer Fähigkeit, eine isolierte Low-Power-Stromversorgung einfach bereitzustellen, wie sie in Anwendungen zur Prozesssteuerung und in industriellen Kommunikationsschnittstellen erforderlich ist, wurden gekapselte DC/DC-Wandler zur Durchkontaktierungsmontage vor mehr als 20 Jahren immer beliebter“, blickt Ann-Marie Bayliss, Product Marketing Manager bei Murata Power Solutions in Milton Keynes, Großbritannien, zurück. Der verfügbare Ein- und Ausgangsspannungsbereich entwickelte sich schnell weiter, um die gängigen Anforderungen in der Industrie zu erfüllen. Der Wandel in SMD-Gehäusen stellt dabei die wichtigste Änderung des ursprünglichen Produktkonzepts dar. Neuentwicklungen sorgen bei den SMD-Gehäusen für eine Weiterentwicklung. „Die Entwicklung eines kleinen DC/DC-Wandlers, der die heutigen Leistungsanforderungen erfüllen und auch eine gewisse Zukunftssicherheit bieten soll, ist nicht einfach“, betont Ann-Marie Bayliss.

Überzeugt mit quadratischer Bauform: der MTU1.

Überzeugt mit quadratischer Bauform: der MTU1.Murata Power Solutions

Was muss beachtet werden? Zuerst muss sich der Entwickler darüber im Klaren sein, welche Topologie er wählt, damit die Größeneinschränkungen der Miniaturisierungsanforderungen erfüllt werden und gleichzeitig ausreichend Leistung, Isolierung und Regelung zur Verfügung gestellt werden können. Der gewählte Ansatz sollte eine Reihe gängiger Ein- und Ausgangsspannungen unterstützen und idealerweise erweiterbar sein, um mehr Leistung mit einer ähnlichen Plattform zu erzielen. Eine Isolationsbarriere, die 1 kV DC widersteht, erfordert eine Transformatorkopplung mit einer AC-Primärsteuerung und einer Sekundär-Gleichrichtung. Bei dieser Umsetzung müssen allerdings unweigerlich Kompromisse getroffen werden, da zwischen Bauteilanzahl und Wirkungsgrad abzuwägen ist.

Zwischen Bauteilanzahl und Wirkungsgrad entscheiden

Der herkömmliche Ansatz mit minimaler Bauteilanzahl basiert auf einem so genannten Royer-Sättigungsschaltkreis, einer selbst oszillierenden Push-Pull-Topologie, in der zwei Bipolartransistoren gegenphasig die Primärtransformatorwindungen ansteuern und ihre Basisströme von den gegenüberliegenden Enden einer mittig angezapften Hilfswicklung beziehen. Das Anlegen einer DC-Eingangsspannung über einen Start-up-Bias-Schaltkreis schaltet einen Transistor ein, der solange aktiv bleibt, bis der Transformatorkern in die Sättigung geht sowie die Transistorverstärkungslimits und alle Transformator-Wicklungsspannungen zusammenbrechen.

Auf einen Blick

SMD-Komponenten sind in der Regel schnellen und vor allem hohen Temperaturanstiegen ausgeliefert. Hier spielt die Feuchtigkeitsaufnahme eine wichtige Rolle. Daher hat Murata Power Solutions seine „tiny“ Wandlerserie MTU1– auch aufgrund seiner quadratischen Form the cube genannt – für MLS1 ausgelegt. Des Weiteren punktet der effiziente Baustein mit optimierten technischen Spezifikationen, wie eine optimierte Lastregelung und verbesserte Ringmagneten.

Die Restenergie im Transformator sorgt für eine Umkehrung der Polarität der Wicklungsspannungen, was den ersten Transistor abschaltet und den zweiten mit einer Bias-Spannung auf den Aktivzustand vorbereitet. Dieser sorgt dann für die Sättigung seiner zugewiesenen Wicklungen. Der Vorgang wiederholt sich, um eine Schwingung mit einer Frequenz zu erhalten, die proportional zur Eingangsspannung ist. Dabei entsteht eine reckteckförmige Ausgangsspannung für die Gleichrichtung.

Dieser grundlegende Schaltkreis hat mehrere Nachteile, allen voran fehlt die Regelungsmöglichkeit. Die Ausgangsspannung ist eine Funktion der Eingangsspannung, interner Verluste und dem Windungsverhältnis des Transformators. Hinzu kommt ein schlechter Wirkungsgrad durch Halbleiterschalt- und Magnetkernverluste bei den hohen Frequenzen, die kleine Transformatoren erfordern. Zu den Variationen dieser Technik zählt eine Änderung des Schaltkreises, um eine verlustbehaftete Kernsättigung zu vermeiden. „Damit ergibt sich potenziell ein höherer Wirkungsgrad“, erklärt Ann-Marie Bayliss, muss aber einräumen: „allerdings auf Kosten der Komplexität und Größe.“

Elektrische Spezifikationen optimieren

Durch die Kombination proprietärer Schaltkreisverbesserungen und moderner Bauteilfertigungstechniken sind Entwickler in der Lage, die Lastregelung eines solchen Wandlers zu verbessern. Die Mitarbeiter des Herstellers konnten die Lastregulierungs-Performance des MTU1 auf maximal -4 bis +5,5 Prozent von 10 Prozent Volllast aufwärts optimieren. Im Vergleich dazu erzielten frühere Baureihen -7,5 bis +10 Prozent, wie in Bild 1 zu sehen. In vielen Anwendungen macht eine Lastregelung ineffiziente und platzraubende lineare Nachregelungsstufen überflüssig. Gleichzeitig trägt eine Verbesserung des Ringmagneten im Baustein zu einem besseren Wirkungsgrad bei, der zwischen 83 und 88 Prozent liegt. Darüber hinaus wurde die Schaltfrequenz von 110 auf 82 kHz für MTU1-Wandler mit 5-V-Eingang und auf 90 kHz für Varianten mit 12-V-Eingang gesenkt. Das sorgt ebenfalls für eine Minimierung der dynamischen Verluste. Bild 3 zeigt, wie die Wirkungsgradkurven 80 Prozent erreichen oder übertreffen – und das bei etwa 40 Prozent der Ausgangsleistung. Die Kurven bleiben ab 50 Prozent aufwärts nahezu flach.

Der höhere Wirkungsgrad drückt sich direkt in einer etwa 56 Prozent niedrigeren internen Verlustleistung aus, was Hot-Sports minimiert und die Zuverlässigkeit erhöht. Auch die Wärmelast des Gesamtsystems lässt sich somit minimieren. Die MTU1-Baureihe ist für einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C ausgelegt. Zu den weiteren Verbesserungen in Hinsicht auf die elektrische Leistungsfähigkeit zählt ein von 30 mA(SS) auf 5 bis 6 mA gesenkter Brummstrom und eine um das zwei- bis dreifache niedrigere Isolationskapazität. „Damit vereinfachen sich auch die Anforderungen an die Eingangsfilterung“, betont Ann-Marie Bayliss. „Die geringere Kapazität isoliert den Ein- und Ausgang noch mehr und macht den Wandler weniger anfällig für eine Rauschübertragung über seine Isolationsbarriere, was sonst empfindliche Lasten stören könnte.“

Die Stellfläche reduzieren

„Die wichtigste Verbesserung der MTU1-Serie liegt in der neuen Stellfläche“, verkündet Ann-Marie Bayliss nicht ganz ohne Stolz. Murata PS gelangt es, das Maß 12,7 mal 11,7 Millimeter für Wandler nach Industriestandard auf 9,10 mal 6,08 Millimeter zu reduzieren. Das entspricht einer Grundfläche von 0,69 cm² oberhalb der Anschlüsse und der effektiven Leistungsdichte 1,71 W/cm³. Der würfelähnliche Aufbau hat Abmessungen von 8,2 mal 8,4 mal 8,5 Millimeter. Bild 4 zeigt die zum Patent angemeldete Open-Frame-Konstruktion des RoHS-konformen MTU1-Gehäuses. Das Material entspricht dabei der Spezifikation nach UL 94V-0.

MSL1-Grad mit fertigungsrelevanten
Designaspekten erzielen

Im Gegensatz zu den kunststoffgekapselten Gehäusen der Wandler nach Industriestandard weist die Zusammensetzung des MTU1-Gehäuses einen Moisture-Sensitivity-Level von 1 auf (MSL). Die Feuchtigkeitsaufnahme/-bindung ist bei vielen SMD-Komponenten ein wichtiger Aspekt, weil sie zu großen Belastungen führen kann, wenn das Bauteil schnellen und hohen Temperaturanstiegen unterzogen wird. Das kann beispielsweise beim bleifreien Löten in Reflow-Prozessen der Fall sein, bei denen Spitzentemperaturen bis zu 245 °C erreicht werden. Das dabei auftretende Ausgasen kann den Wandler leicht zerstören und ist allgemein als so genanntes Popcorn-Cracking, Rissbildung, bekannt.

Die Komponentenhersteller klassifizieren die Feuchtigkeitsempfindlichkeit ihrer Bauteile auf einer Skala. Der IPC/Jedec-Standard J-STD-20 weist die Raten 1 bis 6 auf, wobei MSL1 bedeutet, dass das Bauteil immun gegen Rissbildung ist – unabhängig von der Feuchtigkeitseinwirkung. Das Gehäuse des MTU1 muss nicht vorgehärtet werden, wie es bei Bauteilen mit einer Klassifizierung unter MSL1 regelmäßig erforderlich ist und sich negativ auf deren Lötbarkeit auswirkt. Mit MSL1 sind auch keine teuren Maßnahmen in Bezug auf Handhabung und Lagerung erforderlich. „Und die Open-Frame-Konstruktion des MTU1 sorgt für einen sicheren und zuverlässigen Reflow-Lötprozess, bei dem interne Lötbrücken vermieden werden“, unterstreicht Ann-Marie Bayliss. „Durch die flache Oberseite der Würfelform ist eine einfache Handhabung mit Standard-Vakuum-Pick&Place-Automaten gewährleistet.“  

Der Beitrag baisert auf Textmaterial von Ann-Marie Bayliss, Product Marketing Manager bei Murata Power Solutions im britischen Milton Keynes.