Eckdaten

Die Entscheidung zwischen Zukauf und Eigenentwicklung ist inzwischen auch bei geringen Leistungen einfacher geworden, und vielleicht dauert es nicht mehr lange, bis Produktdesigner ebenso wenig einen eigenen DC-DC-Wandler entwickeln, wie sie heute ein Logikgatter oder einen Operationsverstärker diskret implementieren.

Bei Gleichspannungswandlern stellt sich die gleiche Frage wie bei anderen elektronischen Komponenten: Lohnt sich eine Eigenentwicklung? Stellen Sie sich vor, für Ihr neues Design benötigen Sie einen Prozessor. Entwickeln Sie dann einen eigenen Prozessor und planen Sie Leiterplattenfläche für zwei Milliarden Transistoren ein? Oder würden Sie einen 100-mW-Widerstand im SOIC-8-Gehäuse kaufen? Wohl kaum. Dies sind zugegebenermaßen sehr drastische Beispiele, aber sie stehen für jene Fälle, bei denen die Entscheidung zwischen dem Zukauf eines Moduls und der Eigenentwicklung mit diskreten Bauelementen leicht fällt. Schwieriger ist die Wahl dagegen bei Gleichspannungswandlern mit spezifischen Kombinationen aus Größe, Verlustleistung, Isolation, EMV und elektrischen Kenndaten.

DC-DC-Wandlermodule setzen sich in immer mehr Anwendungen gegen diskrete Designs durch, wobei es bei größeren Leistungen schlagkräftige Argumente für den Zukauf eines fertigen Moduls gibt: Bus-Wandler nach dem neuesten Stand der Technik für dezentrale Stromversorgungs-Architekturen gibt es im Quarter-Brick-Format mit 600 W Ausgangsleistung, implementiert auf einer 14-lagigen Leiterplatte mit dicker Kupferkaschierung. Eine entsprechende Schaltung mit gleicher Performance diskret auf einem Motherboard zu implementieren, wäre äußerst schwierig.

Typische Anwendungen für isolierte Gleichspannungswandler geringer Leistung.

Typische Anwendungen für isolierte Gleichspannungswandler geringer Leistung.Murata

Aber auch bei geringeren Leistungen von beispielsweise 1 W gibt es einen sehr großen Markt für einfache Wandler, die meist isolierte Datenschnittstellen versorgen oder mit wenig Leistung lokal benötigte Spannungen für analoge Schaltungen zur Verfügung stellen (zum Beispiel -5 V für einen Operationsverstärker). Solche Wandler sind zu einem Preis von etwa zwei Euro in großen Stückzahlen für Oberflächen- oder Durchsteckmontage auf dem Markt erhältlich. Dennoch haben viele Anwender den Eindruck, sie könnten diese Wandler zu geringeren Kosten selbst entwickeln und implementieren – gestützt auf ihre Kenntnisse und mithilfe der Applikationsschriften, die es zu den jeweiligen Bauelementen gibt.

Zusammensetzung der Kosten

Ein Kostenvergleich beschränkt sich natürlich nicht allein auf den Preis des zugekauften Moduls im Vergleich zu den Bauelementen des diskreten Designs. So kommen beispielsweise bei einem isolierten 1-W-Wandler, der sich mit zehn diskreten Bauelementen implementieren lässt, als weitere direkte Kostenfaktoren die Aufwendungen hinzu, um zehn Bauelemente anstatt einem einzigen zu bestücken und zu inspizieren. Diese zehn Bauelemente sind möglicherweise von fünf verschiedenen Anbietern zu beziehen, wogegen ein fertiges Modul von nur einem Lieferanten zu beschaffen ist. Außerdem ist der Aufwand für das Handling, die Bevorratung, die Inspektion und die Bestückung von acht verschiedenen Bauelementetypen – darunter auch spezielle magnetische Bauteile – ebenfalls größer als bei einem Modul, ganz zu schweigen von den Kosten für das Testen der Funktionalität und die Isolation. Hinzu kommen weitere indirekte Kosten, beispielsweise für die Leiterplattenfläche (schließlich dürfte ein diskretes Design kaum weniger Platz beanspruchen als ein Modul) und für die größere Bauhöhe (ein Surface-Mount-Modul mit integrierten induktiven Bauelementen kann sehr flach sein). Das spezielle Leistungselektronik-Design, die Produktqualifikation und weitere Aufwendungen sind weitere zusätzliche Kostenfaktoren. Zu den indirekten Kosten gehören auch die Kosten für das Leiterplattendesign und für Design-Support sowie laufende Zertifizierungs- und Inspektionskosten bei Freigabe durch eine Prüfstelle. Zusätzlichen Aufwand bedeutet es auch, mehrere Zulieferer und die Qualitätssicherung im Blick zu behalten.

Wenn der Übertrager und weitere magnetische Bauelemente ebenfalls selbst entworfen und hergestellt werden, so gelten die obigen Überlegungen auch für diese Bauteile mit ihren verschiedenen Drahttypen und -querschnitten, Isolationen, Beschlägen und Kernen. Der Übertrager aus dem obigen Beispiel hätte mindestens sechs Windungen mit einem Draht von möglicherweise nur 0,07 mm Stärke und einem Kern von 4 mm Durchmesser, sodass zum Bewickeln besondere Techniken und Vorrichtungen erforderlich sind. Selbstverständlich können die magnetischen Bauteile, sofern verfügbar, auch zugekauft werden, jedoch sind sie unter Umständen genau so teuer wie ein komplettes DC-DC-Modul.

Gerne wird auch übersehen, dass das Design der Schaltung und der magnetischen Bauteile trotz oder vielleicht gerade wegen des minimalen Bauteileaufwands nicht gerade trivial ist. Der als Beispiel angegebene 1-W-Wandler ist eine selbstschwingende Gegentaktschaltung, die auf eine sorgfältige Abstimmung der Transistorverstärkungen und Vorspannungen angewiesen ist, und in der bewusst eine zyklische Sättigung des Ferritkerns des Übertragers herbeigeführt wird. Letzterer wird damit außerhalb der in seinem Datenblatt aufgeführten normalen Parameter betrieben. Um für den praktischen Einsatz geeignet zu sein, muss das fertiggestellte Design einen hohen Wirkungsgrad haben und an seinen Ein- und Ausgängen geringes Rauschen aufweisen. Es muss eine zuverlässige Isolation besitzen und den Ausgang über seinen Lastbereich hinweg genau regeln. Zusätzlich muss ein gewisser Überlastungsschutz gegeben sein. Eine Vielzahl von Aspekten also, die man auch mit nur zehn diskreten Bauteilen richtig machen muss.

Der Zeitaufwand ist ein wichtiger Faktor

Der Zeitaufwand für die Realisierung der Lösung ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. Schließlich erfordert schon ein einfacher Wandler mehrere Wochen für das Design, die Dokumentation und die Qualifikation für alle vorgesehenen Betriebs- und Umgebungsbedingungen. Soll der Wandler dann noch als Sicherheitsbarriere fungieren, sind zum Einholen der entsprechenden behördlichen Freigabe schnell vierstellige Beträge und monatelange Arbeit zu veranschlagen, ganz zu schweigen von den Folgekosten für Inspektionen und erneute Zertifizierungen.

Der Gleichspannungswandler NXE1 von Murata.

Der Gleichspannungswandler NXE1 von Murata.Murata

All diese Kosten, der personelle Aufwand und die Verzögerungen bis zur Markteinführung sind im Vergleich zur Einfachheit zu sehen, mit der ein bewährtes und zuverlässiges Modul zugekauft werden kann. Ferner muss man einkalkulieren, dass die für eine diskrete Entwicklung aufgewendete Zeit besser in die eigentliche Kernkompetenz eines Unternehmens investiert ist und dass eine schnellere Markteinführung ein entscheidender Wettbewerbsvorteil sein kann.

Ab bestimmten Stückzahlen mag es für ein Unternehmen rentabler sein, sich als Hersteller von Gleichspannungswandlern zu betätigen, das Design selbst zu übernehmen und die Designkosten abzuschreiben. Neue 1-W-Wandler schieben diese Stückzahlgrenze aber immer weiter hinaus. Deutlich niedrigere Kosten als bei älteren Designs und die gebotenen Performance-Vorteile lassen den Unterschied zwischen Zukauf und Eigenentwicklung auf wenige Cent zusammenschmelzen, wodurch sich der Punkt, ab dem sich ein eigenes Design rechnet, um den Faktor fünf oder mehr hinausschiebt.

Beispiele für die Rentabilitätsgrenze zwischen Eigenentwicklung und Zukauf.

Beispiele für die Rentabilitätsgrenze zwischen Eigenentwicklung und Zukauf.Murata

Die neuesten auf dem Markt angebotenen Low-Cost-Produkte bieten darüber hinaus gravierende Performance-Verbesserungen gegenüber früheren Generationen. Beispielhaft hierfür ist die NXE-Serie von Murata Power Solutions, die als zusätzlichen Vorteil zum Patent angemeldete magnetische Bauelemente bietet. Diese sorgen für uneingeschränkt reproduzierbare Performance und ein flacheres Profil als typische diskrete Lösungen oder Wettbewerbsprodukte. Die NXE-Serie mit dem proprietären iLGA-Gehäuse (inspectable Land Grid Array) von Murata ist außerdem pinkompatibel zum 1-W-Industriestandard-Footprint, sodass die Anwender bisheriger DC-DC-Module upgraden und die Vorteile des neuen Produkts nutzen können.

Beispielrechnung zur Rentabilität

Angenommen, der Zeitaufwand zur Implementierung eines diskreten Designs betrage acht Mannwochen, einschließlich der Arbeitszeit eines Designingenieurs, der Support-Techniker, des Zeichenbüros, der für die Produktion, die Bauelemente, die Qualifikation und EMV zuständigen Ingenieure, des Managements und möglicher weiterer Funktionen. Bei durchschnittlichen Lohnkosten von 50 Euro pro Stunde belaufen sich diese Kosten auf rund 15.500 Euro. Nimmt man die Kosten für Prototyping-Materialien, Werkzeuge, externe Stellen und Verbrauchsmittel hinzu, kann die Summe ohne weiteres auf fast 20.000 Euro steigen. Setzt man die direkten Kosten eines diskreten Designs mit 1 Euro an, machen sich die Mehrkosten gegenüber einem für 2 Euro zugekauften DC-DC-Modul ab etwa 20.000 Stück bezahlt. Sinkt der Preis für zugekaufte Module in die Nähe von 1,30 Euro, steigt die Rentabilitätsgrenze auf fast 70.000 Stück, und bei unerwarteten Mehrkosten im diskreten Design von 15 Cent verdoppelt sich diese Grenze nochmals. Unberücksichtigt bleiben dabei der Nutzen einer schnelleren Markteinführung und der Komfortvorteil eines zugekauften Moduls, das man nur einbauen muss und fertig.