DC/DC-Wandler modernisieren Stromversorgungs-Strukturen

Als Steve Wozniak und Steve Jobs 1976 den Apple I vorstellten, nutzte dieser TTL-Logikbausteine, die mit 5 V Gleichspannung zu versorgen waren. Um die bereitzustellen, diente ein Netztransformator, gefolgt von Gleichrichtern, Ladekondensatoren und einem großen Linearregler auf einem noch größeren Kühlkörper. Dies war der Stand der Technik für Heim- und Personalcomputer der Anfangsjahre, auch der C64 wurde so versorgt. Hinzu kam nur noch eine kleinere ±12-V-Versorgung für Komponenten wie Diskettenlaufwerke.

Railqor von Synqor: Eingangsspannungsbereich von 12 bis 155 VDC. Hy-Line Power Components

500-W-AC-Frontend mit brückenloser PFC in GaN-Technologie von Transphorm, Synchrongleichrichter und digitalen Isolatoren statt Optokopplern in der Regelschleife. Hy-Line Power Components

Von 14 auf 5,5 VDC bei 6 A umsetzen kann der nur 9 mm × 6,76 mm × 7,2 mm große Femto-POL von ABB bei -40 bis 85 °C Umgebungstemperatur. Hy-Line Power Components

Günstiger 200 W Half-Brick-DC/DC-Wandler mit Wide-Range-Eingangsspannungsbereich von 4:1 von Phi-Con – bei Bedarf auch mit integriertem Kühlkörper Hy-Line Power Components

Dauerkurzschlussfestigkeit und bis zu 85 % Wirkungsgrad von -40 bis 105 °C bei 1 W Ausgangsleistung bietet dieser isolierende Phi-Con-DC/DC-Wandler im SMD-Gehäuse. Hy-Line Power Components

Die Linearregler entwickelten viel Hitze und Netztransformator, Gleichrichter und Ladekondensatoren benötigten viel Platz. Deshalb wurde das Netzteil bei Heimcomputern wie dem C64 oft in einen „Netzklops“ ausgelagert – der eigentliche Computer blieb so klein und leicht.

Zentrale getaktete Stromversorgung

Der Netztransformator verschwand als erstes aus den Computer-Stromversorgungen, denn die 5-V-Gleichspannungsversorgung aus einem Linearregler war nicht nur extrem ineffektiv – mit 50 Prozent Wirkungsgrad war man hier schon richtig gut –, sondern auch sehr unzuverlässig: Beim kleinsten Spannungseinbruch im Netz schlug dieser auch auf den 5-V-Ausgang durch und der Rechner stürzte ab – beim Anspringen des Kühlschranks war Mario tot.

Primär getaktete Schaltnetzteile haben dagegen Ladekondensatoren bereits auf der Netzseite statt nur auf der Sekundärseite des Transformators, die damit auch den Ausfall einer Halbwelle überbrücken können. Zudem können sie auch bei Netz-Unterspannung noch eine stabile Ausgangsspannung liefern, ohne inakzeptable Wirkungsgrade zu produzieren.

Außerdem wurden die Netzteile kleiner und der Wirkungsgrad stieg – bei einfachen Sperrwandlern jedoch nicht der Platzreduktion entsprechend, weshalb nun Lüfter erforderlich waren, um die Verlustwärme abzuführen.

Über die Jahre wurden die Netzteile besser, doch die PCs ebenso wie Industrielösungen mit 24-V-Bus auch immer leistungshungriger. Die Folge: Auch auf der Hutschiene haben sich Schaltnetzteile durchgesetzt und den traditionellen drei PC-Spannungen +5, +12, -12 V folgten weitere. Dem Netzteil entsprossen immer mehr Stecker und Strippen beispielsweise für Hochleistungs-Grafikkarten. Dabei kamen noch niedrigere Spannungen hinzu: erst 3,3 dann 2,5 dann 1,8 V. Mittlerweile laufen manche Prozessoren mit weniger als 1 V.

Distributed Power Architecture

Diese Spannungen ließen sich jetzt nicht mehr vernünftig über Kabel zuführen und wurden stattdessen vor Ort über Point-of-Load-Regler (POL) erzeugt: DPA – Distributed Power Architecture – hatte Einzug gehalten. Hier wird eine mehr oder weniger gut geregelte Zwischenkreisspannung weiter gewandelt und schließlich zur final gewünschten Arbeitsspannung geregelt.

In der Profitechnik war DPA schon Ende der 80er-Jahre aufgetaucht: Neben den dreibeinigen POL-Reglern, die inzwischen ebenfalls als Schaltregler verfügbar sind, verbreiteten sich auch die hochleistungsfähigen Bricks, isolierende DC/DC-Wandler, die mit bis zu 90 Prozent Wirkungsgrad und bis über 700 W Leistung Eingangsspannungen von 9 bis 425 V_DC zu Arbeitsspannungen von weniger als einem bis zu 60 V_DC umsetzen.  Der Brick ist dabei die Baugröße 117 mm × 55,9 mm × 12,7 mm, kleinere Bauformen nutzen dann 1/2, 1/4, 1/8 oder 1/16 Brick. Bricks haben eine Metallgrundplatte, mit der sie an die Kühlkörper geschraubt werden, und eine sehr robuste Bauweise, was sie auch im Bahn-, Avionik- und Militärbereich äußerst beliebt macht. Der zulässige Eingangsspannungsbereich liegt meist bei 2:1 bis 4:1, die Eingangsspannung muss also nicht stabilisiert sein. Sie produzieren aus einer Bus-Eingangsspannung eine geregelte Ausgangsspannung. So können auch weit verzweigte Anlagen verlustarm versorgt werden, ebenso ist aber auch bei Bedarf ein klassisches zentrales Netzteil mit solchen Bricks flexibel selbst in Kleinstserien aufbaubar. Durch die galvanische Trennung verringern diese Bausteine die Gefahr durch Überspannungen und Brummschleifen in ausgedehnten Anlagen, während in lokalen, kostensensitiven Applikationen mit den galvanisch nicht trennenden POL-Reglern gearbeitet wird.

Für spezielle Anwendungen bietet Hy-Line Power Components auch Brick-Bausteine mit Eingangsspannungsbereichen von 8:1 oder 12:1 an. Letztere haben dann beispielsweise einen Eingangsspannungsbereich von 12 bis 155 V_DC. Dies ist nützlich bei sehr instabilen oder über lange Leitungen zugeführten Versorgungsspannungen oder in Applikationen, bei denen mit sehr unterschiedlichen Versorgungsspannungen gerechnet werden muss. So werden solche Extremweitbereichseingänge gerne in der Bahntechnik und Industrie verbaut, wo je nach Einsatzort ganz unterschiedliche Versorgungsspannungen zur Verfügung stehen. Selbst wenn der Einsatzort nicht mobil in einem Zug ist, erspart der Weitbereichswandler, verschiedene Varianten einer Stromversorgung bereitzuhalten. Gegenüber den Standardmodellen sind Wirkungsgrad und Leistung der Ultra-Weitbereichswandler zwar reduziert, doch mit bis zu 90 Prozent und 144 W immer noch sehr gut.

Neben den höherspannigen Busverteilern mit 300 oder 375 V_DC, entstanden aus direkt gleichgerichteter und von einer PFC-Einheit bearbeiteter 230-V-Netzspannung, setzen sich die ursprünglich aus der Telekommunikation stammenden 48-V_DC-Busversorgungen immer mehr durch: Sie können bei Stromausfall auch unkompliziert aus Akkumulatoren gespeist werden, sind berührungssicher (SELV) und arbeiten dennoch noch mit akzeptablen Stromstärken für die Leistungsverteilung.

Was als Nachteil von DPA bleibt, ist die üblicherweise doppelte Regelung: Die Busspannung wird ja auch direkt verwendet, muss also stabilisiert werden, und dann wird nochmals umgesetzt und neu geregelt. Dies erhöht die Kosten und reduziert den Wirkungsgrad. Zudem ist die direkte Umsetzung beispielsweise von auf dem Bus verlustarmen 48 auf 3,3 V oder weniger an einer CPU in einem POL-Schaltregler mitunter problematisch: Das Tastverhältnis liegt nur noch bei wenigen Prozent. Wird dagegen für jede benötigte Spannung ein eigener Brick genutzt mit eigener Regelung, wird die Stromversorgung unnötig teuer und der Leiterplattenplatz knapp.

Intermediate Bus: Zwischenspannung für bessere Regelbarkeit

Intermediate Bus Architecture (IBA) löst dieses Problem: Ein Intermediate Bus Converter (IBC) setzt die Busspannung nur in einem festen Verhältnis herunter, wie eine Art Gleichspannungstransformator. Üblich sind hier Verhältnisse von 4:1 oder 5:1 – aus einem 48-V-Bus wird so vor Ort ein 12-V-Bus, aus dem dann preiswerte, nichtisolierende POL-Regler akzeptabler betrieben werden können. Der IBC wiederum läuft ungeregelt mit optimalem Tastverhältnis und erreicht so bis zu 98 Prozent Wirkungsgrad. Trotz doppelter Umsetzung ist der Gesamtwirkungsgrad der Anlage so höher und die Kosten – es werden nur ein IBC und dafür viele einfache POL-Regler benötigt – gering: Da der IBC bereits die galvanische Trennung vollzogen hat, kann im POL-Regler hierauf verzichtet werden.

Mittlerweile sind jedoch auch die POL-Regler weit weg vom einstigen „maximal 40 V Eingangsspannung und 1,2 bis 35 V Ausgangsspannung“ der linearen Dreibeiner. So sind bis zu 90 V Ein- oder Ausgangsspannung ebenso wenig ein Problem wie Ströme bis in den dreistelligen Ampere-Bereich und Ausgangsspannungen von unter einem Volt. Außerdem können getaktete POLs nicht nur abwärts, sondern auch aufwärts wandeln. Somit gibt es eigentlich kein spezielles Stromversorgungsproblem, das nicht schnell und effizient gelöst werden kann.

DPA lohnt sich natürlich nicht in allen Fällen. Werden nur einmal 60 und einmal 24 V_DC benötigt, kann ein klassisches Netzteil mit zwei festen Ausgängen dies besser und kostengünstiger abdecken. Ebenso sind bei kleineren Leistungen auch einfachere Lösungen bis hinab zu einem klassischen Linearregler akzeptabel und sinnvoll.

Verteilte Strukturen: Smarter und flexibler

Klar ist jedoch, dass eine verteilte Stromversorgungsstruktur weit flexibler ist als das klassische Zentralnetzteil:

• Die Versorgungsqualität am Point of Load ist mit nahe an der Last liegenden Reglern höher – Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen Baugruppen werden reduziert.
• Der Gesamtwirkungsgrad steigt, wenn niedrige Spannungen mit hohen Strömen erst nahe an der Last erzeugt werden.
• Die durch die Verluste bei der Wandlung entstehende Wärme wird verteilt statt an einer zentralen Stelle frei und kann damit leichter abgeführt werden.
• Die Entwicklung der Stromversorgung ist flexibler: Wird im Laufe der Entwicklung von einer Baugruppe noch eine zusätzliche Betriebsspannung oder mehr oder weniger Leistung benötigt als ursprünglich konzipiert, muss das Netzteil nicht komplett neu entwickelt, berechnet, konstruiert und zugelassen werden. Es reicht, den entsprechenden Niederspannungs-Verbraucherzweig nachzubessern und die davorliegenden Zweige auf ausreichende Belastbarkeit der Zwischenkreis-Busspannungen zu prüfen.
• Die Zuverlässigkeit steigt: Bei Ausfällen lässt sich die schadhafte Stromversorgungseinheit schnell einkreisen und ersetzen, während ein Zentralnetzteil meist komplett ausfällt – selbst, wenn die Ursache gar nicht hier liegt, sondern beispielsweise in einem Kurzschluss in einem Steckverbinder. Zudem ist es leicht, mit mehrfach vorgesehenen Baugruppen bei Bedarf über Redundanz erhöhte Ausfallsicherheit zu erreichen.
• Eine Versorgung ist unkompliziert nicht nur aus dem Wechselstrom-Lichtnetz, sondern auch aus Gleichspannungsquellen wie Solaranlage, USV oder Notstromversorgung möglich.

Die moderne Technik hat die Abhängigkeit von Wechselspannungsnetzen beseitigt – klassische Transformatoren funktionierten nur in diesen. Wenn sich in Anlagen zukünftig Gleichspannungsbusse durchsetzen, können DPA-Systeme leicht angepasst und angeschlossen werden, ohne erst mühsam auf Wechselspannung wandeln zu müssen.

Die qualifizierte Beratung durch einen Fachdistributor verkürzt die Zeit und erleichtert die Auswahl, um die für die konkrete Stromversorgungsaufgabe optimale Struktur zu bestimmen. Dies erlaubt dann eine schnelle Auswahl der geeigneten Wandlerbausteine sowie eine kurzfristige Korrektur ohne komplette Neukonstruktion, falls sich die Anforderungen noch einmal ändern. Dies ist leider gar nicht so selten, weil Kunden von einem Gerät plötzlich noch zusätzliche Funktionen erwarten oder eine Baugruppe nicht so funktioniert wie zunächst geplant.

Flexible Auswahl passender Stromversorgungsbausteine

In der Praxis wird sich in einem modernen Stromversorgungssystem also eine Mischung aller beschriebenen Strukturen finden. Doch je zahlreicher und niedriger die benötigten Spannungen und je höher die benötigten Leistungen sind, desto mehr wird sich die Struktur von klassischen Zentralnetzteilen hin zu DPA, IBC und POL verschieben. Hy-Line Power Components hat Bausteine und komplette Systeme für all diese Strukturen von unterschiedlichen Herstellern im Angebot – und selbstverständlich auch das weiterhin unumgängliche AC-Frontend, das nicht nur AC in DC wandelt, sondern auch Transienten abfängt und einen guten Power Factor gewährleistet, wenn man die Systeme aus einem üblichen Wechselspannungsnetz mit 115 oder 230 V oder gar einem dreiphasigen Netz versorgen will.

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