DC/DC-Wandler auswählen: Der Praxisleitfaden für Entwickler mit CINCON

Bei der Auswahl eines DC/DC-Wandlers sollten insbesondere folgende Kriterien berücksichtigt werden:

Der erste Blick gilt der Eingangsspannung. Dabei sollte nicht nur die nominale Versorgungsspannung berücksichtigt werden. Entscheidend ist vielmehr der gesamte Spannungsbereich, den der DC/DC-Wandler zuverlässig abdecken muss.

In einem klassischen 24-V-System kann die Eingangsspannung beispielsweise innerhalb eines definierten Bereichs schwanken. In Batterie-, Fahrzeug- oder Bahnanwendungen können die Abweichungen deutlich größer ausfallen.

CINCON bietet deshalb DC/DC-Wandler mit unterschiedlichen Eingangsspannungsbereichen. Neben Varianten für typische Versorgungsspannungen stehen auch Wide-Input- und Ultra-Wide-Input-Lösungen zur Verfügung.

Ein Beispiel ist die EC7BW18-Serie, die sich für Anwendungen eignet, bei denen ein weiter Eingangsspannungsbereich und eine kompakte Bauform gefragt sind. Die EC7BW18-Serie hat einen 18:1 Eingangsspannungsbereich bedeutet, dass der DC/DC-Wandler einen besonders großen Bereich an Eingangsspannungen abdecken kann. Die maximal zulässige Eingangsspannung ist dabei 18-mal höher als die minimale Eingangsspannung (hier: 8,5 bis 160 V DC).

Expertenstimme aus dem Produktmanagement
 „Bei der Auswahl eines DC/DC-Wandlers ist es wichtig, nicht nur die nominale Eingangsspannung zu betrachten. Gerade bei Batterie-, Fahrzeug- und Railway-Anwendungen müssen auch Spannungsschwankungen und Transienten berücksichtigt werden.“
 Sonja H.

Im nächsten Schritt geht es um die Ausgangsseite. Welche Spannung wird benötigt und welchen maximalen Strom muss der Wandler bereitstellen?

Die Ausgangsleistung lässt sich grundsätzlich über folgende Formel bestimmen:

P = U × I

Benötigt eine Schaltung beispielsweise 12 V bei 2 A, ergibt sich eine Ausgangsleistung von 24 W.

In der Praxis sollte die Auswahl jedoch nicht exakt auf diesen Wert begrenzt werden. Lastspitzen, Einschaltvorgänge und mögliche Erweiterungen des Systems können zusätzliche Reserven erforderlich machen.

CINCON deckt unterschiedliche Leistungsklassen ab. Für kleinere Embedded- und Industrieanwendungen stehen kompakte DC/DC-Module zur Verfügung. Mit Serien wie der CHM150 bietet CINCON auch Lösungen bis 150 W, während weitere Produktfamilien höhere Leistungen im Bereich mehrerer hundert Watt abdecken.

Damit lässt sich die benötigte Leistung relativ gezielt mit der passenden Bauform und Eingangsspannung kombinieren.

Eine der wichtigsten technischen Entscheidungen ist die Frage, ob Eingang und Ausgang galvanisch voneinander getrennt sein müssen.

Eine galvanische Isolation kann unter anderem erforderlich sein, um:

• unterschiedliche Massepotenziale voneinander zu trennen,
• Sicherheitsanforderungen zu erfüllen,
• empfindliche Schaltungsteile zu schützen,
• Störströme zu reduzieren,
• mehrere Versorgungskreise voneinander zu entkoppeln.

CINCON bietet eine große Auswahl an isolierten DC/DC-Wandlern mit unterschiedlichen Isolationsspannungen.

Dabei sollte die Auswahl nicht allein anhand des Begriffs „isoliert“ erfolgen. Je nach Anwendung können beispielsweise Isolationsspannung, Isolationskapazität, Kriech- und Luftstrecken sowie die Anforderungen der jeweiligen Norm relevant sein.

Für Entwickler bedeutet das: Die erforderliche Isolation sollte bereits bei der frühen Auswahlphase definiert werden.

Je höher die Leistung eines DC/DC-Wandlers ist, desto wichtiger wird der Wirkungsgrad.

Denn die nicht in Nutzleistung umgesetzte Energie fällt als Verlustleistung an und muss als Wärme abgeführt werden.

Ein vereinfachtes Beispiel:

Bei 100 W Ausgangsleistung und einem Wirkungsgrad von 90 % entstehen rund 11 W Verlustleistung.

In einem kompakten Gehäuse können diese 11 W bereits einen erheblichen Einfluss auf die thermische Auslegung haben.

CINCON gibt für seine verschiedenen Produktfamilien entsprechende Wirkungsgrade und Derating-Kurven an. Diese Angaben sollten immer gemeinsam mit der geplanten Umgebungstemperatur und Einbausituation betrachtet werden.

Gerade bei leistungsstärkeren Wandlern kann es sinnvoll sein, nicht ausschließlich nach der maximalen Ausgangsleistung zu entscheiden, sondern die gesamte thermische Situation des Systems zu betrachten.

Auch die mechanische Integration kann die Auswahl eines DC/DC-Wandlers bestimmen.

Je nach Produktfamilie bietet CINCON unter anderem:

• SIP- und DIP-Module,
• SMD-Ausführungen,
• Brick-Module,
• Chassis-Mount-Lösungen.

Für eine platzoptimierte Leiterplattenanwendung kann ein kompaktes SMD- oder SIP-Modul interessant sein. Bei höheren Leistungen oder einer Montage außerhalb der Leiterplatte können dagegen Brick- oder Chassis-Mount-Lösungen Vorteile bieten.

Die Bauform sollte deshalb nicht isoliert betrachtet werden. Auch Kühlung, Montage, verfügbare Leiterplattenfläche und Wartungsanforderungen spielen eine Rolle.

Die maximale Leistung eines DC/DC-Wandlers hängt häufig von der Umgebungstemperatur ab.

Bei steigender Temperatur muss die zulässige Leistung je nach Produkt reduziert werden. Dieses sogenannte Derating sollte bereits bei der Dimensionierung berücksichtigt werden.

Für industrielle Anwendungen mit anspruchsvollen Temperaturbedingungen bietet CINCON unter anderem Produktvarianten für erweiterte Temperaturbereiche.

Besonders interessant sind Lösungen, die auch bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden können. CINCON bietet Serien mit einem Temperaturbereich von -55 °C und bis zu 105 °C. Bei der Auswahl sollte jedoch immer die konkrete Derating-Kurve des jeweiligen Produkts betrachtet werden.

Denn ein großer Temperaturbereich allein sagt noch nicht aus, bei welcher Temperatur tatsächlich die volle Nennleistung zur Verfügung steht.

Ein DC/DC-Wandler arbeitet mit schnellen Schaltvorgängen. Dadurch können elektromagnetische Störungen entstehen, die sich sowohl leitungsgebunden als auch über Strahlung ausbreiten können.

Für die Systementwicklung sind deshalb unter anderem folgende Aspekte relevant:

• Conducted EMI
• Radiated EMI
• Common-Mode-Störungen
• Differential-Mode-Störungen
• Ausgangsripple
• Leiterplattenlayout
• externe Filter

Die EMV-Eigenschaften eines Wandlers können dabei nicht vollständig unabhängig vom restlichen System betrachtet werden. Layout, Verkabelung, Last und zusätzliche Filterkomponenten beeinflussen das Gesamtergebnis.

CINCON bietet für unterschiedliche Anwendungen Wandler und passende Filterlösungen. Welche Konfiguration erforderlich ist, sollte anhand der konkreten Anwendung und der technischen Dokumentation des jeweiligen Produkts bewertet werden.

Nicht jede Anwendung arbeitet mit klassischen 12- oder 24-V-Versorgungen.

In Systemen mit hohen DC-Zwischenspannungen können beispielsweise mehrere hundert Volt am Eingang eines DC/DC-Wandlers anliegen. Hier sind spezielle Lösungen erforderlich, die für den entsprechenden Eingangsspannungsbereich ausgelegt sind.

CINCON bietet hierfür eigene High-Input-Voltage-Produktfamilien. Je nach Serie stehen Lösungen für Eingangsspannungen bis 1500 V DC und mit Leistungen bis in den höheren dreistelligen Wattbereich zur Verfügung.

Für Entwickler kann dies insbesondere interessant sein, wenn aus einer hohen DC-Zwischenspannung eine isolierte Hilfsspannung für Steuerung, Sensorik oder weitere Elektronik erzeugt werden soll.

Bahntechnische Anwendungen stellen besondere Anforderungen an Stromversorgungen. Neben dem Eingangsspannungsbereich spielen beispielsweise Temperatur, EMV, Schock und Vibration sowie entsprechende Railway-Normen eine wichtige Rolle.

CINCON bietet hierfür spezielle Railway-Produktlinien. Je nach Leistungs- und Spannungsanforderung stehen unterschiedliche Serien zur Verfügung, darunter Lösungen aus den CQB- und CHB-Familien.

Der Vorteil einer solchen spezialisierten Produktfamilie liegt darin, dass nicht erst ein Standard-Industriewandler für eine Anwendung mit zusätzlichen Anforderungen angepasst werden muss. Stattdessen kann bereits bei der Auswahl auf Produkte zurückgegriffen werden, die für den vorgesehenen Einsatzbereich entwickelt wurden.

Welche Normen und Zulassungen im konkreten Projekt erforderlich sind, sollte dabei immer anhand der aktuellen Produktdokumentation geprüft werden.

Auch medizinische Anwendungen stellen besondere Anforderungen an Stromversorgungen. Hier können beispielsweise Isolation, Ableitströme und Anforderungen an den Patientenschutz eine zentrale Rolle spielen.

CINCON bietet spezielle Medical-Power-Lösungen. Die CHM150-Serie ist beispielsweise für medizinische Anwendungen ausgelegt und adressiert entsprechende Anforderungen an Isolation und Patientenschutz.

Bei der Auswahl sollte jedoch immer die konkrete Produktvariante betrachtet werden. Aussagen zu MOPP, Isolationsspannung oder Zertifizierungen lassen sich nicht pauschal auf das gesamte Produktportfolio übertragen. Mehr dazu hier in unserem Blogbeitrag.

Für Entwickler empfiehlt es sich daher, die Angaben im aktuellen Datenblatt und den zugehörigen Zertifizierungsunterlagen direkt mit den Anforderungen des eigenen Systems abzugleichen.

Aus den genannten Kriterien lässt sich eine einfache Vorgehensweise ableiten:

1. Eingangsspannung definieren
Minimalen und maximalen Eingangsspannungsbereich bestimmen.

2. Ausgang festlegen
Benötigte Ausgangsspannung und maximalen Laststrom ermitteln.

3. Leistung bestimmen
Nennleistung, Lastspitzen und Leistungsreserve berücksichtigen.

4. Isolation prüfen
Festlegen, ob und welche galvanische Isolation erforderlich ist.

5. Bauform auswählen
Verfügbaren Bauraum und Montagekonzept berücksichtigen.

6. Temperatur analysieren
Umgebungstemperatur und Derating prüfen.

7. EMV-Anforderungen definieren
Systemanforderungen und notwendige Filtermaßnahmen berücksichtigen.

8. Normen und Zulassungen prüfen
Besonders bei Railway- und Medical-Anwendungen relevant.

9. Technische Dokumentation vergleichen
Datenblatt, Derating-Kurven, Pinout und Applikationshinweise des konkreten Produkts prüfen.

Erst wenn diese Kriterien bekannt sind, lässt sich zuverlässig beurteilen, welcher DC/DC-Wandler für die jeweilige Anwendung geeignet ist.

Das CINCON-Portfolio deckt eine große Bandbreite an DC/DC-Anwendungen ab. Von kompakten Modulen für Embedded-Systeme über leistungsstärkere Industrie-Wandler bis zu spezialisierten Lösungen für Railway- und Medical-Anwendungen stehen unterschiedliche Produktfamilien zur Verfügung.

Für Entwickler bedeutet das vor allem eines: Die Auswahl muss nicht bei der Produktbezeichnung beginnen, sondern bei den Anforderungen der Anwendung.

FORTEC Power unterstützt bei der technischen Auswahl geeigneter CINCON-Lösungen und hilft dabei, Eingangsspannung, Leistung, Isolation, Bauform und weitere Anforderungen mit dem passenden Produkt abzugleichen.

Sie suchen einen passenden CINCON DC/DC-Wandler?

Je genauer die Anforderungen bekannt sind, desto einfacher lässt sich die passende Lösung identifizieren. Angaben zu Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Leistung, Bauform, Temperaturbereich und besonderen Normanforderungen bilden eine gute Grundlage für die Produktauswahl.