Power-Tipp Höhere Leistungsdichte dank kleiner isolierter DC/DC-Module

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Die Höhe und Größe von isolierten DC/DC-Stromversorgungen konnte in der Vergangenheit erheblich reduziert werden. Winzige, leichte, isolierte Leistungsmodule stellen eine hohe Leistungsdichte zur Verfügung. Der Power-Tipp stellt Anwendungen aus der Industrie und dem Automotive-Sektor vor.

Das Verkleinern der Stromversorgung ist eine effektive Möglichkeit, Schaltungen für Automotive- und Industrie-Anwendungen zu optimieren und kostengünstiger zu machen. Isolierte Bias-Stromversorgungen wie etwa Push-Pull- und Sperrwandler waren jedoch in der Vergangenheit stets auf Übertrager angewiesen, die schwer und sperrig waren, sich nachteilig auf den Wirkungsgrad auswirkten und vermehrt elektromagnetische Störungen erzeugten.

Inzwischen ist es jedoch gelungen, die Übertrager mitsamt den Halbleiterkomponenten in Single-Chip-Lösungen zu integrieren, sodass sich die Abmessungen isolierter DC/DC-Stromversorgungen deutlich verringern lassen. Den Anwendern können dadurch winzige und leichte Stromversorgungs-Module in die Hand gegeben werden, mit denen sich eine hohe Leistungsdichte realisieren lässt, ohne dass eigens ein Übertrager entwickelt werden muss oder Abstriche an der Leistungsfähigkeit des Systems hinzunehmen sind.

Isolierte DC/DC-Stromversorgungen in Batteriemanagement-Systemen

Batteriemanagement-Systeme (BMS) dienen in erster Linie dazu, die Zellenspannungen sowie die Spannung und den Strom des gesamten Batteriesatzes zu überwachen. Zur Einhaltung der einschlägigen Sicherheitsvorschriften ist es bei Hochvolt-Batterien über 60 V außerdem notwendig, den Leckstrom und den Isolationswiderstand zwischen Bus und Masse zu überwachen. Die entsprechenden Systeme des BMS verfügen über eine isolierte DC/DC-Stromversorgung für die Digitalisolatoren, Stromsensoren und A/D-Wandler, die in einer hochspannungsseitigen Batterie-Trennschalterlösung zum Einsatz kommen (Bild 1).

Laden von Elektrofahrzeugen

Mit zunehmender Verbreitung von Elektroautos wird zunehmend nach niedrigen Preisen und kurzen Ladezeiten verlangt. Höhere Wirkungsgrade und niedrigere Systemkosten lassen sich erreichen, wenn die zum Laden verwendeten Power-Module verkleinert werden. Die zur Datenkommunikation dienenden CAN- und RS-485-Schnittstellen sowie die isolierten Verstärker einer Ladestation benötigen außerdem isolierte Gleichstrom-Versorgungen. Der platzsparende, hocheffiziente Chip UCC33420-Q1 hilft beim Design effizienterer isolierter Stromversorgungen, die mit bis zu 50 % weniger Bauelementen auskommen, aber gleichwohl für die hohen Netzspannungen geeignet sind.

I/O-Module für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

Leistungsfähige SPSen enthalten zahlreiche Baugruppen auf engstem Raum und nutzen zentralisierte I/O-Module für die Kommunikation beispielsweise mit Sensoren und Aktoren. Die hier zum Einsatz kommenden isolierten Bias-Stromversorgungen müssen kompakt sein, ihre Ausgangsspannung genau regeln und sich durch hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) auszeichnen. Eine hohe Leistungsdichte steht auf der Anforderungsliste ebenfalls ganz oben.

Mit seiner Ausgangsleistung von 1,5 W kann der 4 x 5 mm messende UCC33420-Q1 zur Versorgung mehrerer ICs herangezogen werden, zumal er Ausgangsspannungen von 5 und 3,3 V mit einer Genauigkeit von besser als ±3 % bereitstellen kann, ohne dass ein Nachregler oder LDO benötigt wird.

Tatsächlich kommt der Chip bei gleicher Ausgangsleistung auf eine mehr als 8,5-mal höhere Leistungsdichte als Lösungen mit diskreten Übertragern. Der Platzbedarf verringert sich um über 89 %, die Bauhöhe um mehr als 75 % und der Bauteileaufwand um die Hälfte. Der Größenvergleich in Bild 2 macht deutlich, welche Verbesserungen der UCC33420-Q1 gegenüber einer konventionellen Push-Pull-Lösung bietet.

In den UCC33420-Q1 sind ein isolierender Leistungsübertrager, primär- und sekundärseitige Brückenschaltungen und die entsprechende Steuerungslogik zusammengefasst. Der EMI-optimierte Übertrager des Moduls weist zwischen Primär- und Sekundärwicklung eine Kapazität von 3 pF auf, sodass die Anforderungen der Norm CISPR 32 ohne gesonderten EMI-Filter erfüllt werden können. Die Norm CISPR 25 wiederum lässt sich mit weniger Bauteileaufwand einhalten. (kr)

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* Nach Unterlagen von Texas Instruments.

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