| von Reinhard Zimmermann

Wenn nur wenig Analog-Know-how vorhanden ist

Wer sich auf der Embedded World in Nürnberg umgeschaut hat konnte leicht erkennen: Digital ist Trumpf! Software und Mikrocontroller definieren die Leistungsfähigkeit elektronischer Produkte. Die Analogtechnik ist kaum noch eine Randnotiz wert. Die Messe erscheint als Spiegelbild moderner Entwicklungslabors. Der Beitrag geht angesichts dieser Problematik auf die Fragestellung des „make it or buy it“ im Zusammenhang mit modularen DC/DC-Wandlern ein.

Als der Autor sein Diplom machte, kamen noch alle in einem Gerät oder System benötigten Gleichspannungen aus einem zentralen Netzteil. Diese war in Form und Funktion speziell für dieses Produkt dimensioniert. Die Entwicklung des Netzteils war integraler Bestandteil des Entwicklungsprojektes. Zwar kannte man damals schon programmierbare Bausteine und ICs und hatte einen Spezialisten dafür, aber die Berechnung von Trafo, Längsregler und Filter gehörte quasi zur Allgemeinbildung.

Als Größe, Gewicht und Effizienz der Stromversorgung an Bedeutung gewannen, begann der Siegeszug von Schaltnetzteilen. Diese waren technisch aber so anspruchsvoll, dass sich nur wenige Entwickler diesem Thema annahmen. Stattdessen kaufte man das  „Netzteil von der Stange“. Da dieses meist nur eine einzelne Ausgangsspannung lieferte, mussten hieraus alle anderen Gleichspannungen erzeugt werden. Der DC/DC-Wandler war geboren und damit der Trend zu verteilten Versorgungssystemen.

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Recom

Distributed Power schafft flexiblere Strukturen

Das Konzept einer verteilten Spannungsversorgung – der Kombination aus zentralem Schaltnetzteil und lokalen DC/DC-Wandlern – ist der Schlüssel zu effizienteren, modularen Designstrukturen. Benötigt ein Schaltungsteil aufgrund einer Modifikation mehr Leistung oder eine andere Spannung, tangiert diese nur den zugeordneten Spannungswandler auf derselben Platine und nicht das Hauptnetzteil. Auch lassen sich modulare Systeme leichter konfigurieren, weil jedes Modul nur mit einer einzelnen Spannung versorgt werden kann und den Rest „on Board“ mittels DC/DC-Wandler erledigt.

DC/DC-Wandler sind aber auch ideal dafür geeignet, Baugruppen eines Systems, zum Beispiel Interface-Ports oder Messsonden, vom „Motherboard“ zu isolieren oder Verstärkerkanäle „floatend“ von einander zu entkoppeln. Distributed Power bringt mehr Flexibilität für das gesamte Systemkonzept.

DC/DC-Wandler noch selbst entwickeln?

Wie eingangs erwähnt, denkt kein Systementwickler ernsthaft daran, das benötigte Schaltnetzteil selbst zu entwickeln. Hierfür sind Spezialkenntnisse der Analogtechnik erforderlich, die in den meisten Entwicklungslabors nicht mehr in ausreichendem Maße vorhanden sind. So muss man sich mit der Hysterese-Kurve von Ferritkernen befassen und berücksichtigen,  wie sich diese bei wechselnden Temperaturen und Frequenzen verhalten. Oft sind nur die Daten für Sinusbetrieb verfügbar, aber Schaltregler arbeiten mit Rechtecksignalen und das bleibt nicht ohne Konsequenzen bis hin zur EMV-Verträglichkeit des gesamten Produktes. Kein Wunder also, wenn man dieses heikle Thema längst den Spezialisten übertragen hat.

Dass dies für DC/DC-Wandler heute noch nicht in selbem Maße gilt hat zwei wesentliche Gründe. Zum einen arbeiten sie am Eingang mit niedrigen Gleichspannungen und sind damit vergleichsweise leicht beherrschbar. Zum anderen sind sie Bestandteil einer Platine und es bietet sich an, die Einzelteile im gleichen Arbeitsgang gleich mit zu bestücken.

Auch erscheint das Schaltungskonzept auf den ersten Blick recht einfach. Zwei FETs auf der Primärseite zerhacken die Gleichspannung am Eingang mit einigen 100 kHz. Ein kleiner Ringkerntrafo transformiert auf die gewünschte Spannung und sorgt für Isolation. Die Ausgangsspannung wird gleichgerichtet und geglättet. Einige frei verfügbare Programme machen die Dimensionierung scheinbar einfach – zumindest in der Theorie.

Die Praxis dagegen sieht anders aus. Denn rund um Schalttransistoren, Ladekondensatoren, Trafo, Gleichrichter und Filter sind wir in einer analogen Welt, in der es weder schwarz noch weiß gibt. Die Länge jeder Leiterbahn, ihr Abstand zu anderen Leiterbahnen, zur Masse und zu Bauteilen sorgt für parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten, die so in keinem Schaltplan stehen. Auch der Trafo hat seine Tücken. Seine Funktionstüchtigkeit hängt vom Ferritmaterial des Kerns ab und davon, in welchem Bereich der Hysterese-Kurve er betrieben wird. Fährt er zu weit in Richtung Sättigung, wird er zu warm und sein magnetisches Verhalten verschlechtert sich. Dies alles hat Auswirkungen auf Effizienz und EMV-Verträglichkeit und sorgt häufig dafür, dass Re-Designs erforderlich werden. An diesen grundlegenden Zusammenhängen hat sich seit Mitte des letzten Jahrhunderts nichts geändert, aber das praktische Wissen ist heute oft nur noch rudimentär vorhanden.

Jeder Entwicklungsleiter muss deshalb gut überlegen, ob es sich lohnt, angesichts der Vielzahl erprobter Standard-Wandler die Risiken einer Eigenentwicklung zu tragen. Wenn sein Team die spezifischen Erfahrungen hat, kennt es die Klippen und weiß vermutlich, diese zu umschiffen. Ob allerdings auf Anhieb ein optimales Design gelingt, darf bezweifelt werden. Bei einem führenden Hersteller wie Recom entfällt über 80 % der Entwicklungszeit auf Designoptimierung und Lebensdauertests. Diesen Aufwand wird ein Kunde für einen diskret aufgebauten Wandler kaum investieren können.

Effizienz: Ein Punktsieg für fertige Module

Wer über Effizienz von DC/DC-Wandler spricht, denkt meist an den Wirkungsgrad. Dieser ist generell recht hoch, zumindest suggerieren dies die in den Datenblättern publizierten Spitzenwerte. Wandler der 1 Watt-Klasse wie Recom‘s populärer R1S erreichen bei Volllast durchaus Werte von knapp 85 %, ein 10-W-Wandler sogar 90 %. Während man als Hersteller das Design dahin gehend optimiert, dass auch im wichtigen mittleren Lastbereich ähnlich gute Werte erzielt werden, wird dies beim Versuch, einen solchen Wandler diskret aufzubauen, kaum auf Anhieb gelingen können. Vergleichstests mit einem Kundendesign bei wechselnden Lasten haben ergeben, dass die Effizienz um mehr als 50 % gesteigert werden konnte. Da dies kein Einzelfall ist, geht „Runde 1″ klar an die modulare Lösung!

Aber wir wollen Effizienz hier einmal aus einem erweiterten Blickwinkel betrachten, beispielsweise unter dem Gesichtspunkt Leistungsdichte und Platzbedarf. Die in einem vergossenen Modul erreichbare Packungsdichte ist deutlich höher als das, was auf einer normalen Platine realisierbar ist. Modulare Wandler beanspruchen so oft weniger als die Hälfte dessen, was für eine diskrete Lösung bereitgestellt werden muss. Ein wichtiger Aspekt zumindest dann, wenn Fläche und Volumen auf der Leiterplatte nicht beliebig üppig zur Verfügung steht. Auch diese Runde gewinnt der modulare Wandler.

Fast jeder Hersteller achtet heute darauf, die Zahl unterschiedlicher Komponenten und Lieferanten zu begrenzen. Denn wenn es um Lagerhaltung geht und um Redundanz auf Bauteileebene ist weniger oft mehr. Der Einsatz modularer DC/DC-Wandler liegt genau in diesem Trend. Denn Bauteile wie Ferritkerne, Spulen und Schalttransistoren sind Spezialteile, die auf einer Stückliste ansonsten selten zu finden sind. Dieser Punkt erledigt sich mit dem Zukauf eines fertigen Moduls beim Hauslieferanten. Runde 3 geht an den modularen Wandler.

Was hat Zertifizierung mit Effizienz zu tun? Technisch nichts – kommerziell sehr viel! Denn wer neben einem „Netzteil von der Stange“ nicht auf eine Eigenentwicklung setzt, sondern auf einen fertig zertifizierten Wandler, erleichtert sich die Zertifizierung seines Endproduktes ganz wesentlich. Um last minute Überraschungen zu vermeiden, sollte allerdings frühzeitig sichergestellt werden, dass der Lieferant auch in der Lage ist, die einschlägigen Prüfberichte, wie zum Beispiel den CB-Report oder UL-Testbericht zu präsentieren. Ist dies erforderlich, scheiden Produkte mit „multiple listing“, die als „legale Kopie“ unter anderem Namen auf dem Markt sind, aus. Damit ein klarer Rundengewinn für modulare Wandler – zumindest wenn sie von einem der etablierten Hersteller kommen!

Bedeutet höherer Preis auch höhere Kosten?

Wir haben gesehen: Modulare Wandler sind technisch gesehen die effizientere Lösung! Aber wie sieht die Kostenseite aus? Dies ist die wichtigste Motivation für eine Eigenentwicklung. Betrachtet man nur die Kosten für Bauteile und Produktion, so liegt ein diskret aufgebauter Wandler rund bei der Hälfte eines fertigen Moduls.

Ein Beispiel: Ein Messgerät kostet 1000 Euro, hat eine Lebenserwartung von drei Jahren und soll in diesem Zeitraum 10.000 Mal gebaut werden. Auf der Platine sitzen zwei unterschiedliche Wandler, die fertig zusammen für 10 Euro zugekauft werden können. Material- und Produktionskosten belaufen sich auf die Hälfte. Das Sparpotenzial beträgt in Summe also rund 50.000 Euro. Dagegen stehen zumindest die „direkten“ Kosten für Entwicklung, Test und Zertifizierung. Entwicklungskapazität ist vorhanden – geschätzt werden zehn Manntage pro Wandler. Rechnet man noch Kosten für Testzeit und Zertifizierung hinzu, ist die Hälfte des „Sparbetrages“ aufgebraucht. Wird ein Re-Design nötig – und das ist eher die Regel als die Ausnahme – schmitzt der „Sparbetrag“ weiter. Trotzdem kann man sagen: Der Preispunkt geht in diesem Fall zunächst an die diskrete Lösung.

Was aber, wenn sich die Markteinführung des neuen Produktes um acht Wochen verzögert, weil der Wandler nicht von Anfang an zur Verfügung stand oder weil ein Re-Design nötig war. 8 Wochen Verspätung sind teuer bei einem Produkt mit nur drei Jahren Lebensspanne. Linear gerechnet entsprechen acht Wochen gut 5 % der projektierten Lebenszeit. Es gehen also rund 550.000 Euro Umsatz verloren und der fehlende Gewinn ist ein Vielfaches dessen, was ein guter Wandler an Mehrkosten verursacht hätte. Dabei ist dies noch nicht das letzte Wort. Denn wenn der stärkste Wettbewerber mit seinem neuen Produkt schneller ist und Marktanteile hinzugewinnt, ist der Schaden noch höher.

Spätestens dann, wenn man Time-to-Market mit in Erwägung zieht, sollten die Würfel zugunsten modularer DC/DC-Wandler gefallen sein. Wer auf modulare Lösungen setzt, gewinnt Zeit und reduziert das Risiko! Selber machen lohnt nicht mehr – wahrscheinlich auch bei sehr hohen Produktionszahlen nicht.

Reinhard Zimmermann

: Produkt Marketing Manager bei Recom Electronic in Dreieich.

(jj)

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