Insgesamt stehen bei der Stromversorgung drei Hauptoptionen zur Verfügung, wobei komplexere Systeme auf einer Kombination aller drei beruhen können. Die erste Option, die erfahrenen Entwicklern von Leiterplatten am besten bekannt ist, ist die anwenderspezifische Stromversorgungsschaltung, obwohl diese häufig eine Kombination von Standard-Leistungsreglern mit separaten Leistungstransistoren und passiven Bauelementen zum Filtern und Konditionieren umfasst.

Die zweite Option bündelt die Kombination der in einem anwenderspezifischen Design enthaltenen Bauelemente als Modul in einem Gehäuse mit externen Pins zum Anschluss an die Erdungs-, Eingangs- und Ausgangsspannungsschienen. Solche Module sind zum Schutz vor Umwelteinflüssen und zum einfachen Löten häufig vollständig gekapselt.

Eck-Daten

Die Auswahl der richtigen Stromversorgung spielt bei Elektronikdesigns eine sehr wichtige Rolle. Insgesamt gibt es drei Hauptoptionen, auf welche die Entwickler zurückgreifen, nämlich die anwenderspezifische Stromversorgungsschaltung, ein Modul in einem Gehäuse mit externen Pins zum Anschluss an die Erdungs-, Eingangs- und Ausgangsspannungsschienen und handelsübliche Standard-Netzteile. Insgesamt beeinflussen viele Kriterien die Entscheidung, sodass ein Universalansatz nicht möglich ist.

Bild 1: Standard-Netzteile bieten das höchste Maß an Sicherheit.

Bild 1: Standard-Netzteile bieten das höchste Maß an Sicherheit. GettyImages-157400535

Schließlich gibt es als dritte Option das handelsübliche Standard-Netzteil (Bild 1), das zum Beispiel in Form einer externen Frontend-Einheit erhältlich ist. Wenn das Netzteil in das Systemgehäuse integriert sein soll, ist es alternativ als Open-Frame-Design oder als vollständig in einem Gehäuse untergebrachte Ausführung erhältlich. Da sie das höchste Maß an Sicherheit bietet, wählen Entwickler die vollständig gekapselte Version häufig für Systeme, die einen Benutzerzugriff erfordern.

Entscheidung aus Erfahrungswerten

Die Entscheidung, ob ein anwenderspezifisches Design, konfigurierte Module oder vollständig standardmäßige Netzteile zum Einsatz kommen sollen, hängt oft von der Gewohnheit ab. „Das haben wir immer schon so gemacht“, ist nicht unbedingt die falsche Antwort, denn dieser Ansatz kann das Ergebnis von Erfahrung sein und die Entscheider sollten ihn daher nicht leichtfertig verwerfen. Es lohnt sich aber, diesen bei neuen Projekten zu überdenken, wenn sich die Umstände und Technologien möglicherweise zugunsten eines anderen Ansatzes entwickelt haben.

Die Gesetzgebung ändert sich zum Beispiel weltweit ständig und Gesetzgeber haben Gesetze zur Sicherheit der Stromversorgung und zum Energieverbrauch schrittweise verschärft. So haben sich beispielsweise traditionelle regelbasierte Mechanismen zur Erlangung der Sicherheitszertifizierung für Netzteile für Medizintechnik hin zu risikobasierten Bewertungen verlagert, die durch Nachweise zu belegen sind. In ähnlicher Weise verbrauchen Schaltungsdesigns, die vor fünf Jahren für Verbrauchernetzteile geeignet waren, jetzt im Standby-Modus zu viel Energie, um akzeptabel zu sein. Die Gesetzgebung fordert nun komplexere Steuerungen und Techniken im Bereich der Frontend-Gleichrichter, mit denen interne Entwickler möglicherweise nicht vertraut sind, selbst wenn sie über jahrelange Erfahrung mit Stromversorgungsarchitekturen auf Leiterplattenebene verfügen.

Wenn für ein neues Produkt wesentliche Änderungen an der Stromversorgung erforderlich sind, kann es für ein Team, das mit anwenderspezifischen Designs vertraut ist, sinnvoll sein, auf eine Implementierung umzusteigen, die auf konfigurierbaren Modulen oder einem vorgefertigten Netzteil basiert. Hersteller von externen oder vollständig gehäusten Netzteilen bieten in der Regel eine Zertifizierung nach den einschlägigen Normen an. Module sind dann im Allgemeinen so konzipiert, dass sie den Normen entsprechen, die Endsysteme, in die sie integriert werden, sind jedoch noch zu  zertifizieren.

Zeitpunkt der Markteinführung

Die Frage der Markteinführungszeit kann zu einer ähnlichen Schlussfolgerung führen. Ein Standard-Netzteil sichert in der Regel die kürzeste Markteinführungszeit, wenn eines erhältlich ist, das in das Gehäuse des Systems passt. Bei einem anwenderspezifischen Netzteil eines Drittanbieters ist noch Zeit zum Entwickeln, Einstellen und Herstellen einzukalkulieren, wodurch sich die Markteinführungszeit verlängert. Wenn die Anpassung wichtig ist, bieten Module mehr Flexibilität, führen jedoch zu einem längeren Entwurfs- und Integrationszyklus, insbesondere wenn Zertifizierungen erforderlich sind. Für die meisten Entwicklungsteams dürften beide Optionen dennoch schneller sein, als eine vollständig angepasste Schaltung zu entwickeln.

Wenn die Größe eine wichtige Rolle spielt, kann jedoch ein vollständig anwenderspezifisches Schaltungsdesign ohne Weiteres die beste Option darstellen. Ein Entwickler, der mit den Systemanforderungen vertraut ist, kann das Netzteil um die anderen Leiterplatten herum bauen. Dies ist möglicherweise nicht die kompakteste Konstruktion, in Watt pro Kubikzentimeter gedacht, kann sie sich jedoch auf eine Weise an den Rest des Systems anpassen, die das Volumen minimiert, ohne den Luftstrom für die Kühlung zu beeinträchtigen. Module sind oft auf eine kompakte Größe und niedrige Kosten ausgelegt und nutzen häufig neuartige Gehäusetechniken, um das Volumen zu minimieren. Daher können sie eine gute Wahl sein, wenn die erhältlichen Module in ihren Eigenschaften den Anforderungen des Zielsystems entsprechen.

Es kann Situationen geben, in denen die einzelnen Module äußerst kompakt sind, die für die Zielanwendung erforderliche Kombination jedoch zu ungenutzten Schienen und Kapazitäten führt. Dies erhöht dann die Gesamtgröße und die Kosten der Lösung. Die Situation ändert sich jedoch ständig, was die Module anbelangt. Da Händler heute viele Moduloptionen anbieten, ist es einfach, Kombinationen von Modulen auszuwählen, die genau zu einer Zielanwendung passen. Trotz der wachsenden Anzahl von Moduloptionen muss das Team möglicherweise Kompromisse bei der Größe eingehen oder Module mit kundenspezifischem Design kombinieren, um Spezialschienen umzusetzen, wenn für ein Zieldesign spezielle Anforderungen bestehen.

Eine Frage des Designs

Die Größe der Stromversorgung ist stark von der Applikation abhängig und der Trend zur Miniaturisierung fordert immer kleinere Bauteile von den Herstellern.

Die Größe der Stromversorgung ist stark von der Applikation abhängig und der Trend zur Miniaturisierung fordert immer kleinere Bauteile von den Herstellern. Nikita Rublev @ AdobeStock

Wie Modulhersteller können auch Anbieter von Standard-Netzteilen Skaleneffekte und optimierte Produktionstechnologien nutzen, um äußerst kompakte Produkte herzustellen. Infolgedessen bieten sie häufig Designs an, die eine hohe Leistungsdichte (ausgedrückt in Watt pro Kubikzentimeter) aufweisen. Das Standarddesign muss jedoch oft etwas überspezifiziert sein, damit ein Katalogprodukt dem Spitzenstromverbrauch der Zielanwendung entspricht. Das Ergebnis kann ein größerer Formfaktor als gewünscht sein.

Die Flexibilität des Designs kann ein wichtiges Kriterium für Teams sein, die an Produktfamilien arbeiten. In dieser Situation sind modulbasierte Ansätze häufig am sinnvollsten, da es relativ einfach ist, Module bei minimaler Neugestaltung der umgebenden Schaltung auszutauschen. Bei Standard-Netzteilen sind zwar häufig größere und kleinere Varianten verfügbar, sie passen jedoch möglicherweise nicht zum ursprünglichen Formfaktor. Wenn anwenderspezifische Schaltungen zum Einsatz kommen, muss das Team Entwicklungszeit für jede einzelne Variante finden, was den Projektplan verzögern kann.

In Bezug auf die Kosten gibt es oft einen klaren Kompromiss zwischen Entwicklungs- und Stückkosten. Der Stückpreis eines Standard-Netzteils ist im Allgemeinen höher als bei modulbasierten oder kundenspezifischen Designs (Bild 3). Die fertige Einheit hat jedoch den Vorteil, dass sie nur geringe bis gar keine Entwicklungskosten verursacht, was für kleinvolumige Projekte ein entscheidender Faktor sein kann. Wenn die Stückpreise dominieren, bietet die Option eines kundenspezifischen Designs wahrscheinlich den größten Vorteil, auch wenn sie die höchsten Entwicklungskosten mit sich bringt.

Anwenderspezifische Schaltungen benötigen zwar die längste Entwicklungszeit,  Hersteller haben jedoch eine Reihe von Hilfswerkzeugen entwickelt, die die Auswahl und das Leiterplattendesign geeigneter Stromversorgungen erheblich vereinfachen. Ein Beispiel ist das von Maxim Integrated entwickelte DC/DC-Entwicklungstool EE-Sim. Der Entwickler kann darin über intuitive Formulare seine anwendungsspezifischen Anforderungen eingeben und erhält einen Schaltplan, Simulationsergebnisse und eine Stückliste, die die Implementierung unterstützen.

Unterschiede werden immer geringer

Standard-Netzteile gibt es in kleinen und großen Varianten, aber oftmals passen sie nicht für alle Anwendungen, weshalb Entwickler dann selbst designen.

Standard-Netzteile gibt es in kleinen und großen Varianten, aber oftmals passen sie nicht für alle Anwendungen, weshalb Entwickler dann selbst designen. Dmitriy @ AdobeStock

Außerdem sei erwähnt, dass die Grenzen zwischen verschiedenen Arten von Stromversorgungslösungen zunehmend verschwimmen. Einige Lieferanten verwenden modulare Designtechniken, um den Vorteil von Standard-Netzteilen mit der Flexibilität und Leistung hoch abgestimmter Module zu verbinden. Am anderen Ende des Spektrums nutzen Lieferanten von Bauelementen die Integration auf Gehäuseebene, um hochkomplexe Stromversorgungsarchitekturen anzubieten, die bisher nur in vollständig gehäusten DC/DC-Wandlern zu finden waren.

Das Ergebnis ist eine breite Palette an Optionen, die Entwicklungsteams bei der Auswahl der idealen Stromversorgungsstrategie für ihr Projekt in Erwägung ziehen können. Jedes Projekt muss anhand der oben beschriebenen Kriterien nach seinen eigenen Vorzügen beurteilt werden. Eine genaue Analyse der Anforderungen zeigt, welcher Punkt entlang der Kurve von standardmäßigen bis vollständig kundenspezifischen Lösungen den Anforderungen der Anwendung am besten entspricht.