Bild 1: Die DC/DC-Wandler von Recom basieren auf einem Plattformkonzept, so dass innerhalb der jeweiligen Familie nahezu alle denkbaren Spannungskombinationen gefertigt werden können.

Bild 1: Die DC/DC-Wandler von Recom basieren auf einem Plattformkonzept, so dass innerhalb der jeweiligen Familie nahezu alle denkbaren Spannungskombinationen gefertigt werden können.Recom

Mit dem Trend, elektronische Produkte aus Netzteilen von der Stange zu versorgen, begann auch der Siegeszug der DC/DC-Wandler. Heute findet man sie praktisch auf jeder Platine – nicht selten in größerer Zahl. Denn die kleinen Helfer machen aus einer zentralen Gleichspannung – oft sind das nur 5 V – die erforderliche lokale Versorgungsspannung. Distributed Power hat viele Vorteile. Nicht zuletzt den, dass im Falle nachträglicher Modifikationen immer nur das unmittelbare Umfeld betroffen ist und nicht auch das zentrale Netzteil. Darüber hinaus erfüllen DC/DC-Wandler eine Vielzahl weiterer Funktionen. Dazu zählt in erster Linie die Isolation einzelner Baugruppen voneinander oder von der Außenwelt. Dies kann primär sicherheitsrelevante Gründe haben wie in der Medizinelektronik, oder funktionelle bei der Versorgung von IGBT-Treibern. Isolation dient aber auch als Schutz gegen Störspannungen und vermeidet Erdschleifen. DC/DC-Wandler werden aber auch benötigt, um instabile Versorgungsspannungen zu stabilisieren, zum Beispiel bei batteriebetriebenen oder solar-gespeisten Produkten. Hierfür kommen neben DC/DC-Wandlern auch so genannte Schaltregler zum Einsatz, wenn keine Isolation erforderlich ist.

Auf einen Blick

Selbst kleinste Kerne mit einem Lochdurchmesser von rund 2,5 mm können von Recom automatisch bewickelt werden. Die Kerne werden unter anderem in den gekapselten SMD-Trafos von Recom‘s flachen open frame DC/DC-Wandlern der RAM-, RAZ- und RTM-Familie verbaut, den ersten vollautomatisch gefertigten Mini-Wandlern auf dem Markt.

Schaltungstechnisch sind Wandler-Module relativ simpel gestrickt. Die Gleichspannung am Eingang wird mit hoher Frequenz von einigen 100 kHz zerhackt, übertragen, gleichgerichtet und geglättet. Es gibt diverse Programme, die fertig dimensionierte Schaltungsvorschläge liefern. Trotzdem wissen erfahrene Entwickler, dass der Teufel im Detail steckt. Zu groß ist das Risiko, durch ein Re-Design wertvolle Zeit zu verlieren, etwa wegen eines nicht bestandenen EMV-Tests. Auch fehlt heute in vielen Entwicklungslabors das praktische Know-how im Umgang mit elektromagnetischen Komponenten wie Ferritkernen, Trafos und Spulen. Fertige Wandler-Module dagegen sind eine kalkulierbare Größe. Sie sind sofort verfügbar und beschleunigen nicht zuletzt die Zertifizierung. Time-to-Market ist gerade bei schnelllebigen Produkten entscheidend für den kommerziellen Erfolg. Allein dies rechtfertigt oft schon die etwas höheren Kosten des fertigen Moduls.

Automatisierungsgrenzen neu definiert

Bild 2: Bislang mussten kleine Ringkern-Trafos manuell gewickelt werden, eine zeitraubende und diffizile Arbeit. Jetzt erledigt eine Spezialmaschine dies mit fünf- bis zehnfacher Geschwindigkeit.

Bild 2: Bislang mussten kleine Ringkern-Trafos manuell gewickelt werden, eine zeitraubende und diffizile Arbeit. Jetzt erledigt eine Spezialmaschine dies mit fünf- bis zehnfacher Geschwindigkeit.Recom

Große Elektronikproduzenten streben bei der Herstellung von Platinen einen maximalen Automatisierungsgrad an. Dies senkt nicht nur die Kosten, es verbessert auch die Qualität des Endprodukts. Kein Wunder also, wenn sie sich Wandler wünschen, die ebenfalls vollkommen automatisch produziert werden.

Diesem Wunsch standen bislang gewichtige, physikalische Argumente entgegen. Das automatische Wickeln von Ringkern-Trafos ist ein ausgesprochen diffiziles Vorhaben – insbesondere wenn es sich dabei um kleinste Kerne handelt. Bislang waren hier ausnahmslos geschulte Hände gefragt, um die für die Qualität von Wandlern besonders kritischen Trafos zu produzieren. Fehler, zum Beispiel bei der Windungszahl oder auch im Abstand der einzelnen Windungen, beeinflussen die Spezifikation beziehungsweise die Zuverlässigkeit.

Seit gut drei Jahren arbeiten Recom-Ingenieure in enger Kooperation mit einem Maschinenbauer an der Lösung dieses Problems. Mit Erfolg. Im September konnte die erste Spezialmaschine im Werk in Kaohsiung/Taiwan installiert werden – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zum 100 % automatisch produzierten Wandler.

Bild 3: Automatisch produzierte Ringkerne sind das Herzstück von Recom’s neuen, vollautomatisch gefertigten Wandler-Familien RAM, RAZ und RTM. Sie sind geregelt und ungeregelt mit Leistungen von 1 und 2 W lieferbar.

Bild 3: Automatisch produzierte Ringkerne sind das Herzstück von Recom’s neuen, vollautomatisch gefertigten Wandler-Familien RAM, RAZ und RTM. Sie sind geregelt und ungeregelt mit Leistungen von 1 und 2 W lieferbar.Recom

Der Automat ist in der Lage, selbst kleinste Kerne mit einem Lochdurchmesser von rund 2,5 mm automatisch zu bewickeln. Er arbeitet dabei fünf- bis zehnmal schneller als dies manuell möglich ist und produziert in gleichbleibend hoher Qualität. Die maschinell bewickelten Kerne werden unter anderem in den gekapselten SMD-Trafos von Recom‘s flachen open frame Wandlern der RAM-, RAZ- und RTM-Familie verbaut, den ersten vollautomatisch gefertigten Mini-Wandlern auf dem Markt. Sie kommen außerdem im kürzlich vorgestellten 1-W-Wandler R1SE zum Einsatz.

Allerdings sind die fleißigen Hände in der Recom-Wandler-Fabrik noch lange nicht arbeitslos. Zwar produziert die neue Maschine schneller, sie ist aber weit weniger flexibel als der Mensch und angesichts der Produktvielfalt ziemlich überfordert. Die Umrüstung auf einen anderen Trafo-Typ ist zeitintensiv. Deshalb laufen zunächst nur die Trafos von Massen-Produkten über den Automaten. Seltener gefragte Varianten bleiben auf absehbare Zeit „in den guten Händen“ des geschulten Personals.

Kriterien jenseits der elektrischen Daten beachten

Es empfiehlt sich, bei der Wahl des optimalen DC/DC-Wandlers neben den elektrischen Eigenschaften auch zu analysieren, wie schnell und einfach die Module während der Produktion zu verarbeiten sind. Wie gut sind sie für automatisches Pick-and-Place geeignet? Sind sie bereits Tape-and-Reel-konfektioniert lieferbar, so dass zeitaufwändige Vorarbeiten entfallen? Wie schnell lassen sie sich positionieren? Je leichter ein Wandler ist, desto schneller und präziser ist dies möglich. Schon Gewichtsunterschiede von wenigen Zehntelgramm zwischen den Produkten verschiedener Hersteller führen zu einem Zeitgewinn, der sich bei entsprechenden Stückzahlen positiv auf die Produktionskosten auswirkt. Kein Wunder also, wenn Auftragsfertiger beim Gewicht eines SMD-Wandlers besonders genau hinschauen.

RoHS 6/6 und die Probleme bei vergossenen Modulen

Die Umstellung auf RoHS 6/6 machte den Herstellern von DC/DC-Wandlern und ihren Kunden weit mehr Probleme, als man zunächst erwarten durfte. Bleifreies Zinn schmilzt erst bei rund 10 % höheren Temperaturen von 245 °C. Es wird zudem etwa um Faktor 4 langsamer flüssig. Die Konsequenz: Mit der Umstellung auf RoHS 6/6 werden Wandler-Module während des Lötens vollständig durchhitzt.

Die thermische Materialbelastung ist enorm. Trafo-Wicklung und Ferritkern dehnen sich mit unterschiedlichen Koeffizienten aus. Ursprünglich solide gelötete Anschlüsse im Inneren des Moduls können sich unter der mechanischen Spannung lösen. Außerdem beginnt die Vergussmasse zu kochen. Dabei bilden sich Gase, die das Gehäuse sprengen können. Alles in allem ein ungemütliches Szenario, das alle Beteiligten ins Schwitzen brachte.

Recom hat früh erkannt, dass der Problematik nicht durch simple Modifikationen der vorhandenen Design-Plattform beizukommen war. Das gesamte Konzept musste von Grund auf neu durchdacht werden. Gehäuse, Trägerplatine und Trafo wurden so konstruiert, dass sie beim Zusammenstecken automatisch fixiert sind. Die Lötstellen wurden umgestaltet, so dass sie „mitgelötet“ werden können, ohne dass sich Anschlüsse lösen, wenn hängend gelötet wird. Die Wandler müssen nicht mehr vergossen werden. Dadurch erhalten die einzelnen Komponenten die erforderliche „Beinfreiheit“ und der Verzicht auf Vergussmasse wirkt sich positiv aus auf das Gewicht. Alle neuen Recom-Wandler sind zudem 100 % bleifrei – im Gegensatz zu Produkten, die nur als RoHS-5/6-kompatibel klassifiziert sind und bleihaltiges Lot enthalten dürfen.

Fokussierung bringt Preisvorteile

Bild 4: Ein Blick hinter die Kulissen: Die Mitte November offiziell eingeweihte SMD-Fabrik produziert ausgewählte High-Runner in Losgrößen von 100.000 Stück und mehr.

Bild 4: Ein Blick hinter die Kulissen: Die Mitte November offiziell eingeweihte SMD-Fabrik produziert ausgewählte High-Runner in Losgrößen von 100.000 Stück und mehr.Recom

Das Thema Produktvielfalt lässt sich am Beispiel der SMD-Wandler-Plattform RxS/D recht gut nachvollziehen. Obwohl 1-W-Leistung am häufigsten nachgefragt wird, gibt es drei weitere Serien mit 0,25 W, 0,5 W und 2 W. Die beiden unteren Leistungsklassen sind primär der Energieeffizienz geschuldet. Da DC/DC-Wandler ihren besten Wirkungsgrad bei Volllast erreichen, tut man dies bei einem Bedarf von zum Beispiel 5 V/40 mA mit einem 0,25-W-Wandler weit sparsamer, als mit einem wenig ausgelasteten 1-W-Wandler.

Jede der vier Serien gibt es mit fünf Eingangs- und sechs Ausgangsspannungen, alle wahlweise mit einfachem oder dualem Ausgang. Wer mitgerechnet hat, zählt bereits 240 Varianten. Jeder dieser Wandler ist wahlweise mit 1-kV- oder 3-kV-Isolation lieferbar. Einige Sonderanfertigungen eingerechnet, sind dies mehr als 500 verschiedene Wandler. Jedem Fertigungsmenschen wird schnell klar, dass sich eine solche Vielfalt kostenintensiv ist. Günstiger kann produziert werden, wenn man die Fertigung auf wenige High-Runner konzentrieren kann.

Mit der Inbetriebnahme zweier neuer SMT-Straßen im High-Tech-Land Taiwan, ein 2,5 Millionen Dollar teures Investment, verfolgt Recom eine Doppelstrategie. War man bislang primär auf große Produktvielfalt fokussiert, die auch in kleineren Losgrößen effizient gefertigt werden konnte, so werden in der neuen Fabrik ausgewählte High-Runner in Losgrößen von 100.000 Stück und mehr sehr kostengünstig produziert.

Bild 5: Recom‘s E-Klasse steht für niedrige Preise in bekannt guter Qualität. Die Garantiezeit beträgt drei Jahre.

Bild 5: Recom‘s E-Klasse steht für niedrige Preise in bekannt guter Qualität. Die Garantiezeit beträgt drei Jahre.Recom

Bei dieser Low-Mix/High-Volume-Strategie konzentriert man sich ausschließlich auf die am häufigsten gefragten Typen und Spezifikationen. Bei der zuvor genannten RxS/D-Plattform ist dies das Modell mit 1-W-Leistung und jeweils 5 V am Ein- und Ausgang. Da für viele Applikationen Umgebungstemperaturen von +85 °C völlig ausreichend sind, wird im Gegensatz zu den Standardprodukten auf teure High-Grade-Temperature-Komponenten verzichtet. Auch die Isolationsspannung ist mit 1 kV niedriger als bei den Standard-Typen. Das Ergebnis: Die Produktionskosten für den R1SE (Bild 5, rechts unten) sinken um rund 30 %.

Ähnlich hoch ist der Kostenvorteil der Low-Mix/High-Volume-Strategie bei anderen Produktplattformen wie dem kürzlich vorgestellten Schaltregler R-78E (Bild 5, rechts oben) oder den ungeregelten Wandler-Familien RBE (Bild 5, links oben) und ROE (Bild 5, links unten). Nach und nach sollen weitere High-Runner hinzu kommen, so dass neben den vielfältigen Standardprodukten eine besonders preisgünstige E-Klasse entsteht. Diese durchläuft dabei exakt dasselbe Qualitätssicherungssystem wie die normalen Produkte, so dass keine Abstriche bei der Qualität in Kauf genommen werden müssen. Die Gewährleistungsdauer beträgt wie bei den Standardprodukten volle drei Jahre. So sieht man sich bei Recom auf Jahre hinaus bestens gerüstet, dem lokalen Wettbewerb speziell in China erfolgreich zu begegnen.

Vor Plagiaten wird gewarnt

Wenn zuvor von asiatischen „Copy-Shops“ die Rede war, waren „nachentwickelte“ Produkte gemeint, die unter „eigener Flagge segeln“. Insbesondere beim von Recom erfundenen Schaltregler R-78 sind heute eine Vielzahl nahezu baugleicher Nachahmerprodukte auf dem Markt. Wenn ein Kunde sich für solche Produkte entscheidet, weiß er zumindest, dass er nicht das Original kauft.

Bild 6: Der gefälschte ROM-1215S (rechts) aus unbekannter, chinesischer Quelle ist etwas größer als das Original. Trotzdem war der Trafo so schlecht isoliert, dass es reihenweise zu Defekten kam.

Bild 6: Der gefälschte ROM-1215S (rechts) aus unbekannter, chinesischer Quelle ist etwas größer als das Original. Trotzdem war der Trafo so schlecht isoliert, dass es reihenweise zu Defekten kam.Recom

Gefährlich wird es allerdings, wenn Fakes angeboten werden – gefälschte Wandler mit Logo, Typenbezeichnung und Zertifikat des Originals. Während sich wie im Fall eines namhaften Unternehmens der Einkauf noch darüber freute, eine besonders günstige Lieferquelle für Recom‘s ROM-1215S (Bild 6) aufgetan zu haben, wurden in einer Maschinensteuerung serienweise gefälschte Wandler verbaut. Da die etwas größere Einbauhöhe der Fälschung unproblematisch war, wurde das Problem erst erkannt, als die Steuerungen reihenweise ausfielen. Ursache war die viel zu schlechte Isolation des Fakes, die nicht annähernd den geforderten 3 kV entsprach. Das vermeintliche Schnäppchen wurde für den Maschinenbauer zum Fiasko mit hohen Folgekosten und einem nicht kalkulierbaren Imageschaden.

Man kann Kunden daher nur raten, bei allzu günstigen Angeboten aus unbekannter Quelle sehr wachsam zu sein, denn Qualität gibt es nicht zum Nulltarif. Recom bietet deshalb allen Interessenten den Service, fragliche Produkte im hauseigenen Testlabor auf Echtheit prüfen zu lassen – schnell, unbürokratisch und kostenlos. Denn gute Produkte werden immer wieder kopiert werden!