auswahl eines dc/dc-wandlers - PEAK electronics GmbH

AUSWAHL EINES DC/DC-WANDLERS
DC/DC-Wandler – worauf kommt es an?
DIE WELT DER DC/DC-WANDLER
Ein DC/DC-Wandler kommt immer dann zum Einsatz, wenn die zur Verfügung stehende Spannung nicht zur
Versorgung der Elektronikanwendung passt. Die optimale Auswahl des DC/DC-Wandlers ist häufig nicht so
einfach, wie man glauben könnte. Denn die Festlegung von Eingangsspannung, Ausgangsspannung und
Leistung ist nicht alles, auf was es ankommt. Nachfolgend werden die wichtigsten Kriterien aufgeführt.
Ausgangsspannung
In den meisten Anwendungen ist bekannt, mit welcher Spannung eine elektronische Baugruppe versorgt werden
muss. Doch es gibt auch Baugruppen, die in einem weiten Eingangsspannungsbereich, z.B. von 8 V bis 15 V,
betrieben werden können. Was dann? Diese Baugruppen integrieren häufig einen linearen Spannungsregler, der
aus einer höheren Spannung eine geregelte, niedrigere Spannung erzeugt. Handelt es sich z.B. um einen 5 V-
Regler, bedeutet dies, dass der lineare Spannungsregler die Spannungsdifferenz zu der Ausgangsspannung von
5 V „verbrennt“, also in Wärme umwandelt. Der Strom bleibt dabei nahezu gleich. Daraus folgt, je höher die
Eingangsspannung, desto größer ist die entstandene Wärmemenge, also die Verlustleistung. In diesem Beispiel
empfiehlt es sich, einen DC/DC-Wandler mit einer Ausgangsspannung um unteren Bereich der möglichen 8 – 15
V zu wählen.
Bei einer Anwendung mit geringen Stückzahlen wird ein DC/DC-Wandler mit der nächstliegenden Standard-
Ausgangsspannung zum Einsatz kommen, das wäre ein Konverter mit einer Ausgangsspannung von 9 V. Bei
Anwendungen mit hohen Stückzahlen ist es dagegen sinnvoll, einen Wandler mit einer Sonder-
Ausgangsspannung von 8 V zu wählen. Denn je höher die Verlustleistung ist, desto aufwändiger wird das
Thermo-Management in einem Gesamtsystem. Außerdem muss der DC/DC-Wandler auch erst einmal die
Leistung aufbringen, die anschließend wieder als Wärmemenge „verbrannt“ wird. Ein DC/DC-Konverter mit 8 V
Ausgangsspannung, wie in diesem Beispiel, muss nur etwas mehr als die Hälfte der Leistung liefern wie ein
Wandler mit einer 15 V-Ausgangsspannung und ist damit kompakter und deutlich günstiger.
Grundsätzlich macht es Sinn, eine Baugruppe z.B. mit einem Labornetzgerätes auszutesten, wie sich die
Stromaufnahme (auch unter verschiedenen betriebszuständen) sowie Betriebssicherheit in Abhängigkeit der
anliegenden Spannung verhalten, um die Ausgangsspannung eines DC/DC-Wandlers festzulegen.
Ausgangsstrom und Leistung
Bei der Festlegung der Leistungsfähigkeit des DC/DC-Wandlers sind drei Betriebszustände der zu versorgenden
Baugruppe zu beachten:
- das Einschaltverhalten,
- der Nennbetriebsfall und
- der Betriebsfall mit maximaler Energieaufnahme.
Der kritische Teil ist das Einschaltverhalten. Viele Baugruppen ziehen beim Einschalten kurzzeitig einen hohen
Einschaltstrom, der z.B. durch Kondensatoren verursacht wird. Ein Kondensator ist im Einschaltmoment
ungeladen und wirkt kurzzeitig wie ein Kurzschluss. Je höher die Kapazität, desto höher ist die Energiemenge
zum Laden des Kondensators. DC/DC-Wandler können je nach Typ eine gewisse Menge dieser Energie im
Einschaltmoment aufbringen. Die Grenzwerte für die Kapazität, die an einem DC/DC-Wandler angeschlossen
werden darf, stehen in aller Regel im Datenblatt.
Noch ungünstiger wirken sich Baugruppen aus, die einen negativen Innenwiderstand aufweisen und damit bei
niedriger Eingangsspannung ein relativ hoher Strom gezogen wird. Ein solches Verhalten zeigen beispielsweise
Baugruppen mit einem integrierten Step Up Converter oder Boost Converter (Hochsetzsteller), die zur Gruppe
der Drosselwandler gehören.
Im Einschaltmoment hat jeder DC/DC-Wandler zunächst eine Ausgangsspannung von 0 V. In einem Zeitraum
von einigen 100 ms steigt dann die Ausgangsspannung auf die Nennspannung, z.B. 9 V, an. Während des

DIE WELT DER DC/DC-WANDLER
Spannungsanstiegs darf der von der Baugruppe benötigte Strom den maximalen Ausgangsstrom des
auszuwählenden DC/DC-Wandlers nicht übersteigen, da der Konverter sonst die maximale Ausgangsspannung
nicht erreichen kann.
Ob eine Baugruppe einen negativen Innenwiderstand aufweist, kann mit einem Labornetzgerät festgestellt
werden. Durch (bewusst) langsames Hochregeln der Spannung bis zur Nennspannung lässt sich messen, bei
welcher Spannung der höchste Strom fließt. Abzulesen ist dieser Wert entweder an der im Labornetzgerät
eingebauten Stromanzeige oder an einem externen Strommessgerät, wie z.B. einem Digital-Multimeter (DMM).
Der zu wählende DC/DC-Wandler muss den ermittelten, höchsten Stromwert abgeben können, den die zu
versorgende Baugruppe benötigt, um sicher den Betriebszustand zu erreichen. Dies betrifft allerdings nur
Einschaltströme, die durch elektronische Schaltungen verursacht sind, und nicht Einschaltstromspitzen von
Kondensatoren.
Der Nennbetriebsfall ist in aller Regel der harmloseste Fall. Die Stromaufnahme liegt unterhalb des maximalen
Anlaufstroms sowie unterhalb des Betriebszustandes, bei dem am meisten Energie benötigt wird.
Der Betriebsfall mit maximaler Energieaufnahme kann sich durchaus vom Nennbetriebsfall unterscheiden, z.B.
wenn sich eine außergewöhnliche Situation in der Anwendung einstellt. Auch dieser Betriebsfall muss bei der
Wahl des optimalen DC/DC-Wandlers berücksichtigt werden. Der zu wählende Wandler muss den höchsten
gemessenen Stromwert der zu versorgenden Baugruppe dauerhaft abgeben können, unabhängig davon bei
welchem Betriebsstand er auftritt.
Nach der Festlegung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms lässt sich mit der Formel P=U*I die
Leistung des gesuchten DC/DC-Wandlers bestimmen.
Potenzialtrennung
In zahlreichen Anwendungen, allerdings nicht in allen, ist eine Potenzialtrennung erforderlich.
Bei der Potenzialtrennung (galvanische Trennung) sind alle Anschlüsse der Eingangsseite (Primärseite) und alle
Anschlüsse der Ausgangsseite (Sekundärseite) elektrisch getrennt.
Bei Anwendungen, die schaltungsbedingt einen gemeinsamen Minus-Anschluss erlauben, lässt sich ein DC/DC-
Wandler ohne Potenzialtrennung einsetzen. Diese Drosselwandler (StepDown oder Buck Converter) haben einige
Vorteile: Sie sind kostengünstig und weisen einen hohen Wirkungsgrad auf. Die Wandler verfügen über eine
relativ geringe Verlustleistung und produzieren, bei vergleichbarer Ausgangsleistung, weniger (Verlust-)Wärme.
PEAK electronics bietet u.a. ein Modul mit variabler Ausgangsspannung an, dessen Wert im Bereich 1,8 V bis
15,5 V flexibel einstellbar ist (Typenreihe PSRS-78xxLF). Darüber hinaus sind verschiedene
Gehäuseausführungen mit einem Ausgangsstrom von 500 mA bzw. 1000 mA in zahlreichen Festspannungen
erhältlich (Reihen PSR, PSR1, PSRS und PSRW).
Ein Nachteil der Drosselwandler (Schaltregler) ist, dass sie bei Defekt in sich keinen Schutz für die
angeschlossene Baugruppe bieten. Wird zum Beispiel der Schaltregler durch eine zu hohe Eingangsspannung
zerstört und bildet intern einen Kurzschluss zwischen Eingang und Ausgang, wird die angeschlossene Baugruppe
mit dieser Spannung beaufschlagt. Das kann möglicherweise zur Zerstörung des Boards führt. Abhilfe lässt sich
dadurch erreichen, dass vor dem Plus-Eingang des Schaltreglers eine Sicherung (Schmelzsicherung oder PTC-
Sicherung, auch Polymersicherung oder Polyfuse) schaltet und zusätzlich zwischen Plus-Ausgang und
gemeinsamem Minus-Anschluss eine Suppressordiode anschließt. Dabei muss der Spannungswert der
Suppressordiode höher liegen als die Nennausgangsspannung, aber nur so hoch, dass die angeschlossene
Baugruppe die Ansprechspannung der Suppressordiode noch verkraftet. Typische Werte für z.B. eine
Ausgangsspannung von 5 V ist eine 6,8 V-Suppressordiode, für eine Ausgangsspannung von 12 V eine 15 V-
und für 15 V eine 20 V-Suppressordiode. Dabei wird die Kathode der Suppressordiode an den Plus-Ausgang, die
Anode der Suppressordiode an den gemeinsamen Minus-Anschluss geschaltet (s. Bild 1)

Bild 1
DIE WELT DER DC/DC-WANDLER
Bei Anwendungen, die eine Potenzialtrennung erfordern, muss beachtet werden, dass die im Datenblatt
angegebenen Werte für die Spannungsfestigkeit zwischen dem Primär- und dem Sekundärkreis meist einen
Gleichspannungswert darstellen. Ein Wert von 1000 V DC (1 kV Gleichspannung) entspricht 707 V AC. Dies gilt
allerdings nur für eine Wechselspannung mit niedriger Frequenz, wie z.B. 50 Hz. Bei hohen Frequenzen, die vor
allem bei getakteten Leistungsstromversorgungen vorkommen (z.B. in der Solartechnik), reduziert sich die
Spannungsfestigkeit deutlich. Hinzu kommt noch, dass jeder DC/DC-Wandler eine Kapazität zwischen Eingang
(Primärseite) und Ausgang (Sekundärseite) aufweist. Die Kapazität wird durch die Fläche der Wicklungen des in
einem DC/DC-Wandler eingebauten Transformators verursacht. Der Transformator wirkt wie ein Kondensator, der
auf jede Spannungsänderung zwischen Primär- und Sekundärkreis reagiert. Ist die Frequenz einer zwischen
Primär und Sekundär anliegenden Spannung sehr hoch, wird der Trafo entsprechend häufiger umgeladen, was
einen hohen Strom zwischen Ein- und Ausgangsseite hervorruft. Die gesamte Energiemenge, die dabei
umgeladen wird, hängt u.a. von der Höhe der anliegenden Spannung ab. Darüber hinaus hat auch der
Kapazitätswert des DC/DC-Wandlers einen Einfluss: Je kleiner dieser Wert ist, umso weniger Energie wird
umgeladen, da eine kleine Kapazität weniger Energie zwischenspeichern kann. Für Anwendungen, bei denen ein
DC/DC-Wandler im kHz-Bereich zwischen zwei Potenzialen betrieben wird, sollte die Koppelkapazität, d.h. die
Kapazität zwischen Primär und Sekundär nur wenige pF betragen. Andernfalls kann der Wandler zerstört werden
bzw. funktioniert nicht mehr korrekt.
Geregelter oder ungeregelter Wandler?
Ein geregelter Wandler verfügt intern über einen Regelkreis, der z.B. die Schwankungen der Eingangsspannung
auf der Ausgangsseite korrigiert. Das bedeutet, die Ausgangsspannung bleibt auch bei
Eingangsspannungsänderungen innerhalb des für den Wandler erlaubten Bereiches nahezu konstant. Ebenfalls
nahezu konstant bleibt die Ausgangsspannung bei Änderung der Last am Ausgang.
Geregelte Wandler sind aufwändiger und teurer als ungeregelte Typen.
Ungeregelte DC/DC-Konverter werden vor allem im Bereich kleiner Leistungswerte bis etwa 3 W eingesetzt. Sie
haben keinen Feedback-Kreis und können die oben beschriebenen Schwankungen nicht korrigieren. Die
Eingangsspannung darf bei den meisten ungeregelten DC/DC-Wandlern nur um 10 % bezogen auf die
Nenneingangsspannung differieren. Dies allerdings kann bereits eine Schwankung der Ausgangsspannung von
bis zu 15 % bedeuten. Zudem benötigen ungeregelte Wandler eine Mindestbelastung am Ausgang, da sonst die
Ausgangsspannung deutlich zu hoch ist, was sogar zum Defekt des Bausteins führen kann. Zu guter Letzt sind
ungeregelte Typen entweder gar nicht oder nur im Millisekunden-Zeitbereich kurzschlussfest. Dies bedeutet
zusammenfassend: Ein ungeregelter DC/DC-Wandler sollte nur dann eingesetzt werden, wenn sichergestellt ist,
dass die Eingangsspannung sehr konstant ist (besser 2 %). Darüber hinaus sollte die Belastung am Ausgang
idealerweise im Bereich 50 % bis 90 % der Nennleistung liegen und die Gefahr eines Kurzschlusses sowie einer
Überlastung ausgeschlossen werden können. Für alle anderen Anwendungen ist unbedingt ein geregelter
Wandler vorzuziehen.

Wandler mit mehreren Ausgangsspannungen
DIE WELT DER DC/DC-WANDLER
Bei geregelten DC/DC-Wandlern wird die Ausgangsspannung nur minimal von Schwankungen der
Eingangsspannung, der Ausgangsbelastung und der Temperatur beeinflusst. Es gibt jedoch auch Wandler mit
mehreren Ausgangsspannungen. Häufig eingesetzt werden Konverter mit einer gesplitteten Ausgangsspannung,
wobei zwei gleich hohe Spannungen am Ausgang hintereinander geschaltet zur Verfügung stehen. Bezogen auf
den 0 V-Anschluss am Ausgang wird z.B. sowohl eine -12 V-Spannung als auch eine +12 V-Spannung
bereitgestellt. Im Prinzip handelt es sich dabei um einen einfach geregelten 24 V-Ausgang mit Mittenanschluss.
Die Ausgangswicklung des im DC/DC-Wandlers eingebauten Transformators ist für 24 V Ausgangsspannung
ausgelegt und verfügt über einen Mitten-Abgriff für den zusätzlichen 0 V-Ausgang. Geregelt wird nur die 24 V-
Gesamtspannung vom Ausgang +12 V bezogen auf -12 V, aber nicht der 0 V-Ausgang. Das führt dazu, dass bei
unterschiedlicher Belastung von +12 V bezogen auf 0 V und -12 V bezogen auf 0 V der 0 V-Ausgang wegdriftet.
Ein Beispiel dazu: Wird ein Wandler mit 12 W Ausgangsleistung am +12 V-Ausgang bezogen auf 0 V mit 0,5 A,
am -12 V-Ausgang bezogen auf 0 V mit 0 A belastet, dann bricht die +12 V-Spannung auf ca. 8 V ein, während
der -12 V-Ausgang auf -16 V ansteigt. Das bedeutet, dass die Summe der Spannungen unverändert 24 V beträgt,
der 0 V-Anschluss sich jedoch um 4 V verschoben hat. Deshalb sollten die Belastungsunterschiede zwischen den
12 V-Ausgängen bezogen auf den 0 V-Ausgang nicht zu unterschiedlich sein. Differieren die Belastungen in einer
Anwendung sehr stark, kann man den schwächer belasteten Ausgang mit einem Lastwiderstand als Grundlast
zum 0 V-Ausgang beschalten. Als Alternative können zwei getrennte Wandler zum Einsatz kommen, vor allem
wenn es sich um höhere benötigte Leistungen handelt bzw. um die vom Grundlastwiderstand verursachte
Verlustleistung zu vermeiden.
Grundsätzlich gilt, dass sich bei Wandlern mit symmetrischer Ausgangsspannung (Splitt-Ausgangsspannung)
nicht nur die Ausgangsspannung, sondern auch die maximale Ausgangsleistung aufteilt. Bei einem 12 W-Wandler
lassen sich nur je 6 W aus jeder Ausgangsspannung entnehmen.
Bei DC/DC-Wandler mit zwei oder mehreren unterschiedlichen Ausgangsspannungen kann oftmals nur eine
Ausgangsspannung geregelt und alle anderen nur gekoppelt sein. Dies entspricht hinsichtlich der
Ausgangsbelastung einem ungeregelten Wandler. Werden die zusätzlichen Ausgangsspannungen nachgeregelt
sind alle Ausgangsspannungen unabhängig der Ausgangsbelastungen stabil. Vor dem Serieneinsatz von DC/DC-
Wandlern sollten deshalb genaue Tests durchgeführt werden.
Zusammenschalten mehrerer Wandler
Anwendungen, bei denen unterschiedliche Spannungswerte benötigt werden, sind mit mehreren DC/DC-Wandler
realisierbar. Dabei sollten die Konverter möglichst nie hintereinander geschaltet werden, um die
Ausgangsspannung des ersten Wandlers als Eingangsspannung des nachgeschalteten zu nutzen. Der Grund
dafür ist, dass jeder Wandler einen mehr oder weniger hohen Anlaufstrom benötigt, und es schnell passieren
kann, dass der vorgeschaltete Konverter nicht den Strom aufbringen kann, den der nachgeschaltete Wandler zum
Anlauf benötigt. Die Folge ist, dass der zweite Wandler nicht eingeschaltet wird.
Idealerweise wählt man DC/DC-Wandler aus, die alle mit der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung
betrieben werden können. Damit lassen sich alle DC/DC-Wandler auf der Eingangsseite parallel anschließen, das
heißt, alle Minus- und alle Plus-Eingänge werden jeweils miteinander verbunden. Von Vorteil ist dabei, jeden
einzelnen Konverter mit einer angemessenen Sicherung auf der Eingangsseite zu versehen. In manchen
Anwendungen kann es nötig sein, bei einem oder mehreren der verwendeten Wandler eine LC-Entstörung
vorzusehen. Damit lässt sich vermeiden, dass sich die Wandler auf der Eingangsseite gegenseitig stören.
Lineare Spannungsregler können in aller Regel problemlos hinter einen getakteten DC/DC-Wandler geschaltet
werden, da diese zumeist keinen hohen Anlaufstrom benötigen. Bei den meisten Konvertern
ist eine Reihenschaltung auf der Ausgangsseite möglich. Um im Einschaltfall sowie bei Kurzschluss zu
vermeiden, dass der eine der seriell geschalteten Wandler den anderen mit einer negativen Spannung
beaufschlagt und diesen zerstört, muss jeder einzelne Ausgang mit einer Schottky-Diode geschützt werden. Die
Schottky-Diode wird dabei zwischen den Plus-Ausgang und den Minus-Ausgang geschaltet (s. Bild 2).

Bild 2
Zusatzfunktionen
DIE WELT DER DC/DC-WANDLER
Trimmanschluss
Vor allem leistungsfähige Wandler ab ca. 20 W verfügen über einen Trimmanschluss, der an einem Anschluss-
Pin herausgeführt wird. An diesem Pin lässt sich ein Trimmpotentiometer anschließen, um die
Ausgangsspannung im Bereich von +/- 10 % einzustellen. Darüber hinaus ist es möglich, mit einem
Festwiderstand gegen die Plus-Ausgangsspannung die Ausgangsspannung dauerhaft zu reduzieren bzw. durch
Beschalten eines Festwiderstands gegen den Minus-Anschluss zu erhöhen. Damit sind gewünschte
Sonderspannungen einstellbar.
ON/OFF Control-Eingang
Mit dem auf der Primärseite vorhandenen ON/OFF Control-Eingang (Shutdown (SD), Inhibit) lässt sich der
DC/DC-Wandler über ein Relais, einem Schalter, einem Transistor oder einem Optokoppler fernabschalten, ohne
dass die Versorgungsspannung unterbrochen werden muss. Zur Abschaltung wird nur ein Signal mit geringer
Leistung benötigt, das z.B. direkt aus Controller- oder Regelschaltungen stammen kann. Diese Funktion ist
jedoch nicht bei allen Wandlern verfügbar.
Sensoranschlüsse
Leistungsstarke DC/DC-Wandler ab ca. 20 W können über Sensoranschlüsse verfügen. Damit lassen sich die
Spannungsverluste (auch ein Spannungsabfall) auf der Ausgangsseite ausgleichen, die durch die Leitungen
verursacht werden. Die Sensoranschlüsse des Wandlers werden über zwei zusätzliche Leitungen mit dem
Verbraucher verbunden. Der Wandler regelt dann die Spannung, die er an den Sensoranschlüssen vorfindet, und
damit die Spannung, die am Verbraucher anliegt. Diese Funktion wird vor allem bei niedrigen
Ausgangsspannungen, z.B. 5 V und kleiner, genutzt, oder wenn sehr präzise Spannungen am Verbraucher, z.B.
in der Messtechnik, anliegen müssen.
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
Jeder DC/DC-Wandler erzeugt eine Störung, die durch das hochfrequente Schalten einer Induktivität verursacht
wird. Verantwortlich ist bei galvanisch nicht getrennten Wandlern eine Drossel, bei galvanisch getrennten
Wandlern ein Trafo. Nahezu alle Wandler schalten mit Rechteck-Form, wobei neben der Taktfrequenz auch viele
Oberwellen entstehen. Daher stören Wandler in einem breiten Frequenzspektrum, beginnend mit der
Taktfrequenz bis hin in den dreistelligen MHz-Bereich. Obwohl alle Wandler bereits Komponenten integrieren, die
die erzeugten Störungen reduzieren, sind in vielen Anforderungen die zu erfüllenden Normen strenger. In diesen
Fällen gilt es, durch externe Beschaltung die ausgesendeten Störungen weiter zu vermindern.

DIE WELT DER DC/DC-WANDLER
Die Störungen treten in drei Bereichen auf: zwischen Eingang und Ausgang, auf den Eingangsleitungen zwischen
Plus- und Minus-Anschluss und auf der Ausgangsseite ebenfalls zwischen Plus- und Minus-Anschluss.
Die Störungen zwischen Eingang und Ausgang werden durch die Ladungsverschiebungen des Transformators
verursacht. Dabei wirkt der Transformator als ein Stör-Kondensator. Die Störungen können durch Anschluss
eines Keramikkondensators zwischen dem Minus-Eingang und dem Minus-Ausgang des DC/DC-Wandlers
kurzgeschlossen werden. Vorzugsweise liegen die Kapazitätswerte zwischen 100 pF bis 10 nF. Die
Spannungsfestigkeit des Keramikkondensators muss den Anforderungen der Potenzialtrennung entsprechen,
weshalb in anspruchsvollen Anwendungen ein Y2- oder Y1-Kondensator eingesetzt wird.
Die am Eingang auftretenden Störungen zwischen den Betriebsspannungsanschlüssen lassen sich in der Regel
mit einem LC-Filter reduzieren. Häufig ist es am einfachsten, die optimale Kombination von Drossel und
Kondensator(en) auszuprobieren, da die Wirksamkeit des Filters stark von der Qualität (Güte) der Drossel
abhängt. In der Praxis hat es sich bewährt, Drosseln mit überdimensionierter Strombelastung und nicht zu hohen
Induktivitäten einzusetzen. Einfache Drosseln (Längsdrosseln) sollten Werte im Bereich von 0,1 µH bis ca. 10 µH
und mindestens eine doppelt so hohe Strombelastbarkeit wie in der Anwendung maximal vorkommt aufweisen.
Bei DC/DC-Wandlern mit höherer Leistung kommt auch eine stromkompensierte Drossel mit einer Induktivität um
1 mH und einem Nennstrom, der gut über den Wert der Anwendung liegt, in Betracht. Die Dimensionierung der
Kondensatoren hängt vor allem davon ab, welches Frequenzspektrum der Störungen wirksam reduziert werden
muss. Elektrolytkondensatoren weisen eine hohe Kapazität auf und können besonders gut niedrige
Taktfrequenzen reduzieren. Im höheren Frequenzbereich ab 200 kHz aufwärts werden die Elkos jedoch immer
unwirksamer. Aus diesem Grund, sind parallel zu dem Elektrolytkondensator zusätzlich ein oder mehrere
Keramikkondensatoren zu schalten. Wichtig ist, einen Kondensator mit hochwertigem Material wie z.B. C0G,
NPO oder X7R zu wählen. Die Kapazitätswerte können je nach Anforderungen von 1 nF bis hin zu einigen µF
reichen. Wie die Teile beschaltet und angeschlossen werden siehe (s. Bild 3).
Bild 3
Zur Reduzierung der Ausgangsstörungen kommen ähnliche Maßnahmen zum Einsatz (Bild 3). Im Gegensatz zu
den Bedingungen am Eingang sollte nur eine Drossel mit wenigen Windungen verwendet werden. Ist überhaupt
eine Induktivität nötig, bietet sich hier eine Ferritperle oder für leistungsstärkere Anwendungen eine Ferrithülse
an. Ferritperlen und Ferrithülsen gibt es mit den verschiedensten Induktivitäten von 1 nH bis zu 100 nH, häufig
auch als AL-Wert in den Datenblättern angegeben. Die Auswahl der Kondensatoren ist ähnlich wie bei der
Entstörung des Eingangs.
Für kritische EMV-Anwendungen werden DC/DC-Wandler angeboten, die in einem Metall-Becher vergossen sind,
und eine geringe elektromagnetische Störausstrahlung aufweisen.
Umgebungsbedingungen und Umwelteinflüsse
Die einwandfreie Funktion der DC/DC-Wandler wird wesentlich von den Umgebungsbedingungen beeinflusst. Vor
allem müssen die Betriebsangaben, die in den Datenblättern festgelegt sind, eingehalten werden. Negative
Umgebungseinflüsse lassen sich in vielen Anwendungen zumindest reduzieren bzw. ganz unterdrücken.
Überspannung

DIE WELT DER DC/DC-WANDLER
Besteht in einer Anwendung die Gefahr, dass der DC/DC-Wandler – wenn auch nur temporär - einer zu hohen
Eingangsspannung ausgesetzt wird, z. B. durch Spannungsspitzen, wird als wirksamer Schutz eine
Suppressordiode eingebaut. Der Ansprechwert (Z-Spannung) der Diode soll mindestens ca. 20 % über dem
maximal zu erwartenden Betriebsspannungswert liegen. Idealerweise wählt man den Eingangsspannungsbereich
des Wandlers so aus, dass der Spannungswert der Z-Diode noch innerhalb seines erlaubten
Betriebsspannungsbereichs liegt. Suppressordioden, z.B. die Reihe 1.5KE, können im µs-Bereich mehr als 1 kW
wirksam begrenzen. Bei DC/DC-Konvertern empfiehlt sich der Einsatz einer unipolaren Suppressordiode.
Eingangssicherung
Der Einbau einer Eingangssicherung ist immer empfehlenswert. Bei Zerstörung eines Wandlers durch einen
äußeren Einfluss kann ein Kurzschluss im Eingangskreis entstehen, der einen entsprechend hohen Stromfluss
verursacht. Die Folge ist, dass der Wandler regelrecht abkokelt oder Leitungsschmorbrände ausgelöst werden.
Statt einer Schmelzsicherung lässt sich auch eine selbstrückstellende Sicherung, z.B. eine PTC-Sicherung,
einbauen. Eine Sicherung sollte vor allem dann integriert werden, wenn die den Wandler versorgende
Spannungsquelle eine sehr hohe Leistung aufweist, um viele Verbraucher gleichzeitig zu versorgen.
Temperatur
Kein DC/DC-Wandler arbeitet ideal, d.h. mit einem Wirkungsgrad von 100 %. Um eine bestimmte Leistung am
Ausgang entnehmen zu können, muss am Eingang immer eine höhere Leistung zur Verfügung stehen. Je größer
die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung ist, umso mehr Verlustleistung und damit Verlustwärme
fällt im Wandler an. Der Konverter kann diese Wärme nur über seine Oberfläche an die Umgebung abgeben.
Entscheidend ist, dass der DC/DC-Wandler in seinem Inneren nicht zu heiß wird. Die in Datenblätter gemachten
Angaben hinsichtlich der maximalen Umgebungstemperatur sind lediglich Richtwerte. Die Einbaulage, Einflüsse
durch unmittelbar benachbarte heizende Komponenten oder die Packungsdichte der Anwendung führen zu
teilweise erheblichen Abweichungen von diesen Angaben. In der Regel muss die maximale
Umgebungstemperatur nach unten korrigiert werden. Um eine Anwendung auch bzgl. der thermischen Situation
korrekt zu dimensionieren, sind Werte von Bedeutung: der Wirkungsgrad bei gegebener Ausgangsleistung und
die maximal zulässige Gehäusetemperatur. Aus dem Wirkungsgrad und der Leistung lässt sich die
Verlustleistung bzw. Verlustwärme berechnen. Die maximale Gehäusetemperatur kann mit einem
Temperaturmessgerät unter realen Bedingungen einfach gemessen werden. Allerdings sollte man einer langen
Lebensdauer zuliebe, die DC/DC-Wandler nicht bis an die Temperaturgrenze ausreizen - insbesondere
Kondensatoren leiden bei hohen Temperaturen. In der Praxis ist es ratsam, möglichst unter ca. 80 °C gemessen
im Kontakt zur Gehäuseoberfläche zu bleiben.
Bei Wandlern mit hoher Ausgangsleistung ab ca. 20 W sollte der Wirkungsgrad möglichst hoch sein. Die Reihe
P30WG bzw. P40WG von PEAK mit 40 W Ausgangsleistung bietet z.B. einen Wirkungsgrad von mehr als 90 %.
Wird bei den P40WG-Modulen die 40 W-Ausgangsleistung voll genutzt, fallen knapp 4,5 W Verlustleistung an.
Diese Wärme muss über das relativ kleine Modulgehäuse von 25,4 mm x 50,8 mm abgeführt werden. Deshalb
hat der leistungsfähige Wandler, wie viele andere auch, ein Temperatur-Derating. Das bedeutet, dass die volle
Ausgangsleistung nur bis zu einer bestimmten Umgebungstemperatur entnommen werden kann. Sollte die
Umgebungstemperatur höher sein, darf nur noch eine geringere Leistung entnommen werden, wodurch die
Verlustleistung sinkt und der Wandler nicht mehr so warm wird.
Als "unbedenkliche" Richtwerte kann man grob angeben: Ein Gehäuse DIL4, 6, 7,8 sollte maximal 0,5 W
Verlustleistung aufweisen, Gehäuse DIL24 ca. 1,5 W, Gehäuse 1" x 2" bis zu 2,5 W, Gehäuse 1,6" x 2" bis 3 W
und Gehäuse 2" x 2" bis 4 W. Diese Werte beziehen sich auf maximale Umgebungstemperaturen bis ca. 50 °C.
Werden bei der ersten Berechnung höhere Verlustleistungswerte oder höhere Umgebungstemperaturen erwartet,
sollte noch Spielraum für verbesserte Kühlungslösungen vorgesehen werden. Eine Kühlung des Moduls lässt sich
durch einen Lüfter oder auch die Vergrößerung der für die Kühlung zur Verfügung stehenden Oberfläche des
Wandlers durch einen Kühlkörper erreichen. Letztendlich aber zählt die gemessene Temperatur in Kontakt mit der
Oberfläche des Wandlers.
Luftfeuchte
Da die meisten DC/DC-Wandler vergossen sind, ist ihr Innenleben gut vor hoher Luftfeuchte geschützt. Lediglich
die Löt-Pins können bei Betauung Schaden nehmen. Abhilfe bietet hier eine Schutzschicht (Lack oder ähnliches).
Dennoch sollten die Herstellerangaben bzgl. der zulässigen Luftfeuchte beachtet werden. Meist wird hier unisono
5 % bis 95 % nicht kondensierend vorgeschrieben. Bei nicht vergossenen Wandlern sind die Vorschriften genau
einzuhalten.

DIE WELT DER DC/DC-WANDLER
Luftdruck
Der Luftdruck spielt nur bei Anwendungen in großen Höhen eine Rolle. Mit zunehmender Höhe nimmt der
Luftdruck ab, d.h. die Luft wird dünner und kann weniger Wärmeenergie aufnehmen. Dies muss in die
Verlustleistungsberechnung mit einfließen.
Vibration und Schock
Vergossene Wandler sind gegen mechanische Belastungen recht robust. In den meisten industriellen
Anwendungen muss höchstens auf gute Lötstellen beim Verarbeiten in die Anwendung geachtet werden. Bei
hohen Anforderungen kommt man an einem Test des Systems nicht herum. Die Festigkeit der Lötverbindungen
kann durch eine zusätzliche verschraubte Platte oder Bügel bzw. durch einen Federbügel erhöht werden.
Bauformen
Nahezu alle DC/DC-Wandler sind für die Printmontage ausgelegt. PEAK electronics bietet darüber hinaus auch
zahlreiche Hutschienenmodule an. Sonderlösungen für Chassismontage oder auch vergossene Module mit
Anschlussleitungen oder Anschlussklemmen sind ebenfalls erhältlich.
Alexander Deschl, Rosemarie Krause
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