Wann das Outsourcing der DC/DC-Wandlerentwicklung Vorteile bringt

Die E-Serie seiner DC/DC-Wandlermodule fertigt Recom in großen Stückzahlen und wenigen Varianten. Recom

Egal ob ein Entwicklungsleiter „make or buy“ fragt oder outsourcen will: Immer geht es darum, Komponenten und Module als fertige Einheiten einzukaufen, wenn diese nicht zur Kernkompetenz der eigenen Entwicklung und Fertigung zählen. Seit der Jahrtausendwende definiert der Duden denn auch kurz und knapp Outsourcing als „Auslagerung von bisher im Unternehmen selbst erbrachten Leistungen an externe Dienstleister“.

Outsourcing ist in der Elektronikbranche vor allem bei der Stromversorgungstechnik sinnvoll. Seit Schaltregler-Netzteile dank ihrer hohen Energieeffizient die bisherigen linear geregelten Netzteile aus vielen Applikationen verdrängt haben, schwenkte fast die gesamte Branche auf „AC/DC-Netzteile von der Stange“ um. Dies war mehr technisch bedingt als dem Trend zum Outsourcing geschuldet. Denn die neue Technik mit ihren hochfrequenten Schaltspitzen war im Vergleich zum Linearregler recht diffizil. Heute kann man davon ausgehen, dass nur noch wenige große Elektronikunternehmen Netzteile für den Eigenbedarf entwickeln. Der große Rest wird von Spezialisten bedient, allein in Deutschland gibt es rund 50 Anbieter.

Anders bei DC/DC-Wandlern. Sie kamen im Gefolge der Schaltnetzteile auf jede Platine, um die zentral verfügbare Gleichspannung so zu konvertierten, dass sie Prozessoren, Filter oder Operationsverstärker korrekt versorgt. Auch als Isolator wurden sie gebraucht, um Schaltungsmodule oder Interface-Ports galvanisch zu trennen. Obwohl DC/DC-Wandler technisch eng mit Schaltnetzteilen verwandt sind – im Prinzip fehlt ihnen nur die Gleichrichtung am Eingang – werden vermutlich immer noch gut 80 % des weltweiten Bedarfs durch diskret aufgebaute Eigenentwicklungen gedeckt. Das hat meist wirtschaftliche Gründe, die heute einer genaueren Überprüfung oft nicht mehr standhalten.

Schaltungstechnik scheint leicht beherrschbar

Auf den ersten Blick sprechen Technik und Kosten – große Stückzahlen vorausgesetzt – für eine Eigenentwicklung. Eingangs- und Ausgangsspannungen liegen unter 50 V und sind daher unproblematisch. Die verschiedenen Schaltungstopologien sind bekannt und ausführlich beschrieben. Im Prinzip wird die verfügbare Gleichspannung am Eingang in ein Rechtecksignal von einigen 100 kHz zerhackt, über einen kleinen Ringkerntrafo transformiert, gleichgerichtet und geglättet. Im Internet sind diverse Programme verfügbar, die die Dimensionierung der einzelnen Komponenten recht simpel erscheinen lassen.

Bild 1: Aufklärungsarbeit in Sachen DC/DC-Wandler: Das Fachbuch steht auch in deutscher Sprache zum Download zur Verfügung. Recom

Wer entsprechendes Know-how besitzt im Umgang mit Ferritkernen, Drosseln und Trafos, kann – entsprechende Stückzahlen vorausgesetzt – eigene Wandler entwickeln und kostengünstig diskret aufbauen. Interessierten Entwicklern sei das Fachbuch „DC/DC-Book of Knowledge“ von Steve Roberts ans Herz gelegt (Bild 1), das die Vorzüge und Charakteristika der einzelnen Konzepte ausführlich beschreibt. Aber die Stückzahlgrenze, ab der sich „Do it Yourself“ noch lohnt, hat sich in den letzten Jahren markant nach oben verschoben. Dies gilt insbesondere dann, wenn die gesamten Kosten einer Eigenentwicklung in die Kalkulation einfließen.

Analog-Spezialwissen unabdingbar

Jedes Jahr gehen hunderte von Entwicklungsingenieuren analoger Schule in Ruhestand, während die Analogtechnik aus den Lehrplänen der Fachhochschulen verschwindet. Konsequenz: Kaum noch suchen junge Ingenieure Erfüllung in den analogen Niederungen rund um Schalttransistoren, Störspitzen, Ladekondensatoren, Trafos, Drosseln und Gleichrichter. Eine Welt, in der schon eine leicht geänderte Leitungsführung parasitäre Kapazitäten hervorruft, die die Funktionstüchtigkeit der Schaltung massiv beeinflusst, ist vom Radar der Ausbildung verschwunden.

Wer sich auf das Terrain von Analogschaltungen und Spannungswandlern begibt, sollte sich seiner Sache aber ganz sicher sein. Selbst das Ferritmaterial von Trafo und Drosseln hat seine Tücken. Seine Performance hängt wesentlich davon ab, in welchem Bereich der Hysteresekurve der Magnetkern arbeitet. Fährt man das Material zu weit in die Sättigung, wird es zu heiß und sein magnetisches Verhalten verschlechtert sich. Hier stoßen exakte Berechnungen schnell an Grenzen – Erfahrung ist gefragt. Hinzu kommt, dass meist nur Kenndaten für den Sinusbetrieb verfügbar sind, der Trafo aber tatsächlich Rechtecksignale erhält.

Selbst wenn das nötige Fachwissen vorhanden ist, darf bezweifelt werden, ob auf Anhieb ein optimales Design gelingt. Stromversorgungsspezialisten wie Recom wenden rund 75 % der Entwicklungszeit eines neuen DC/DC-Wandlers für Designoptimierung auf. Ein vergleichbarer Aufwand wäre bei einer Eigenentwicklung nicht vertretbar. Man kann deshalb annehmen, dass erprobte Wandler „von der Stange“ eine bessere Performance aufweisen.

Bild 2: Recom optimiert sein Wandler-Designs auf einen gleichbleibend hohen Wirkungsgrad über einen breiten Lastbereich hinweg. Dadurch reduzieren sich die Wärmeverluste, was sich positiv auf die Lebenserwartung auswirkt. Recom

Effizienz, Lebenserwartung und Zertifizierung

Bei DC/DC-Wandlern Marke Eigenbau ist meist nur der Wirkungsgrad bei Volllast bekannt. Auch die Datenblätter vieler Hersteller sagen nichts aus über den Verlauf bei niedrigerer Last. Aber genau in diesem Punkt können sich gravierende Unterschiede ergeben. Wirklich gute Wandler sind auf einen gleichbleibend hohen Wert optimiert (Bild 2) und verlieren erst unterhalb 20 % Last deutlich an Effizienz. Bei Eigenentwicklungen wird es vermutlich nur sehr selten gelingen, eine ähnlich gute Performance zu erreichen.

Ein Beispiel aus der Praxis: Eine Kaskade von zwölf kundenseitig entwickelten 2-W-Wandlern wird mit durchschnittlich 75 % Last betrieben. Da der Wirkungsgrad an diesem Punkt nur 69 % beträgt, nimmt die Kaskade für 18 W am Ausgang gut 26 W auf. Ein R2S-Wandler von Recom ereicht unter gleichen Bedingungen 84 % Wirkungsgrad. Obwohl der Unterschied auf den ersten Blick nicht gravierend ausschaut, sinkt die Verlustleistung der gesamten Kaskade um fast 60 % von 8 W auf nur noch 3,4 W.

Dies bringt nicht nur Vorteile beim Energieverbrauch der Schaltung. Auch die Temperatur innerhalb des Gehäuses sinkt deutlich, was Vorteile bei der Lebensdauer des gesamten Designs verspricht. Wirkliche Klarheit bringen allerdings nur Praxistests. Recom ermittelt in so genannten HALT-Tests (Highly Accelerated Long Time) für viele seiner Wandler die Design Lifetime, also die durchschnittliche Lebenserwartung. Im Vergleich zu einer Eigenentwicklung verspricht dies zusätzliche Sicherheit.

Ein kritischer Punkt bei der Zertifizierung des Endproduktes ist seine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). DC/DC-Wandler arbeiten mit hohen Schaltfrequenzen und stellen damit potenzielle Störquellen dar. Der Einsatz zertifizierter Wandler reduziert das Risiko eines Re-Designs wesentlich und beschleunigt die Zertifizierung. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Hersteller einschlägige Prüfberichte wie CB-Report oder UL-Testbericht zur Verfügung stellt. Recom stellt seinen Kunden sogar das hauseigene EMV-Labor nebst Personal zur Verfügung, um die EMV-Kompatibilität eigener Prototypen frühzeitig prüfen zu lassen.

Kostenfaktor Entwicklungszeit

Wer über die nötigen Entwicklungskapazitäten verfügt, kann leicht errechnen, wie viele Manntage die Entwicklung geeigneter DC/DC-Wandler benötigt. Schon diese sichtbaren Kosten sind oft genug zu knapp bemessen, es gibt aber auch noch eine Reihe versteckter Faktoren, die die Entwicklung des Prototyps beeinflussen. Der Einsatz fertiger Wandler-Module spart in jedem Fall Zeit. Sie sind in den für Prototypen erforderlichen Stückzahlen meist ab Lager verfügbar. Dies ist besonders wichtig, wenn die Stromversorgung – wie so oft – erst ganz am Ende des Entwicklungsprozesses steht. Modulare Wandler haben verlässliche Spezifikationen und beschleunigen den Entwicklungsprozess nicht zuletzt dadurch, dass sich die Wahrscheinlichkeit eines Re-Designs reduziert. Während bei Marke Eigenbau EMV-Probleme eher die Regel sein werden als die Ausnahme, ist dieses Thema bei fertig zertifizierten Wandlern schon im Vorfeld erledigt.

Probleme bei der Zertifizierung oder ein zusätzliches Re-Design können den Entwicklungsprozess leicht um viele Wochen verzögern. Welchen Einfluss eine schnellere Markteinführung auf den kommerziellen Erfolg hat, ist von Fall zu Fall zu beurteilen. Bei schnelllebigen Produkten jedenfalls ist Time to Market besonders kritisch. Wer dies mit in die Kalkulation einbezieht, sieht dass sich selbst etwas höhere Kosten fertiger Module schnell amortisieren.

Bild 3: Recom produziert in der neuen SMT-Fab ausgewählte Wandler als E-Serien (siehe Bild 4) rund 30 % kostengünstiger als die RxS/D-Familie. Recom

Massenproduktion senkt Preisniveau

Was vor gut 20 Jahren als kundenspezifischer Wandler in Kleinserie begann, hat sich inzwischen zum qualitativ hochwertigen Massenprodukt entwickelt. Führende Hersteller haben tausende unterschiedlicher Wandler im Programm, um für jede Applikation eine optimale Lösung zu bieten. Allerdings ist die Produktvielfalt kontraproduktiv beim Preis. Ein Beispiel auf Basis der populären RxS/D-Familie von Recom: Obwohl 1 W Leistung die mit Abstand meistgekaufte Größe ist, bietet der Hersteller aus Gründen der Energieeffizienz mit 0,25 W, 0,5 W und 2 W drei weitere Serien. Jede Serie gibt es mit fünf Eingangs- und sechs Ausgangsspannungen, alle wahlweise mit einfachem oder dualem Ausgang. Hinzu kommen Isolationsspannungen von wahlweise 1 kV_DC oder 3 kV_DC. Wer mitgerechnet hat, kommt auf 240 unterschiedliche Wandlertypen. Jedem Fertigungsmenschen ist klar, dass sich eine solche Vielfalt auf die Kosten auswirkt.

Wer aber diskret aufgebaute Eigenentwicklungen verstärkt durch vorgefertigte Wandlermodule ersetzen möchte, muss sich auf wenige Varianten konzentrieren und diese in sehr hohen Stückzahlen produzieren. „Low Mix, High Volume“ lautet die Device, also Massenproduktion zu Lasten der Vielfalt. Um das eine zu tun ohne das andere zu lassen, hat Recom vor gut zwei Jahren eine separate Fab in Betrieb genommen (Bild 3), die ausgewählte Wandlertypen nahezu vollautomatisch in Stückzahlen von einigen 10.000 produziert. Hierfür stehen derzeit drei SMT-Straßen zur Verfügung.

Bild 4: Während die RxS/D-Familie in über 240 Variationen gibt, ist der auf Low Cost getrimmte R1SE nur mit 5 V am Eingang und Ausgang lieferbar. Recom

Dabei konzentriert man sich zunächst auf die am häufigsten gefragten Varianten in der 1-W-Klasse mit 3,3 V, 5 V, 12 V und 15 V am Eingang. Da für viele Applikationen Umgebungstemperaturen von +85 °C völlig ausreichend sind, verzichtet man auf teure High-Grade-Temperature-Komponenten, wie sie in den bis +100 °C spezifizierten Standardprodukten zum Einsatz kommen. Bei der Isolation muss 1 kV ausreichen. Die E-Klasse durchläuft dabei exakt dasselbe Qualitätssicherungssystem wie die normalen Produkte, sodass es keine Abstriche bei der Qualität gibt. Die Gewährleistungsdauer beträgt wie beim Standardprodukt drei Jahre.

Das Ergebnis der Großserie: Die Kosten für die E-Klasse (Bild 4) sinken um rund 30 %. Parallel zum sehr preisgünstigen Massenprodukt gibt es die zuvor erwähnte Vielfalt der Großfamilie mit weit über 20.000 unterschiedlichen Typen.

(lei)