DC/DC-Wandler-Architekturen Vom integrierten Modul zur diskreten DC/DC-Topologie

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Die Stromversorgung elektronischer Systeme steht seit einigen Jahren unter Druck. Einerseits steigen Anforderungen an Leistungsdichte, Wirkungsgrad und EMV-Verhalten. Andererseits nimmt die Zahl erfahrener analoger Entwickler ab. Neue Lösungen sind erforderlich.

Fertige DC/DC-Wandler-Module haben sich deshalb in vielen Projekten als Standardlösung etabliert. Sie verkürzen die Entwicklungszeit, reduzieren Risiken im Layout und der Zertifizierung und ermöglichen eine schnelle Markteinführung. Doch sobald Stückzahlen steigen, verschiebt sich die Perspektive vieler Entwickler. Dann rücken Kosten, thermische Optimierung und systemseitige Integration stärker in den Vordergrund. Dann werden diskrete Stromversorgungen wirtschaftlich interessanter.

Ein Hersteller, der bislang vor allem für DC/DC-Wandler-Module bekannt war, verfolgt nun einen Ansatz, der beide Welten verbindet. Recom erweitert sein Portfolio um diskrete Stromversorgungsbausteine und überträgt sein langjähriges Integrations- und Applikationswissen aus der Modulwelt auf diskrete Architekturen.

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Wenn die Strategie wichtiger als die Bauform ist

Die Entscheidung zwischen Modul und diskreter Lösung wird in vielen Projekten entlang der Stückzahlen getroffen. Wer ein Produkt schnell oder in kleinen Serien auf den Markt bringen möchte, greift in der Regel zu einem fertigen DC/DC-Wandler-Modul. Der Integrationsgrad reduziert Entwicklungsaufwand und minimiert Risiken im Design.

In volumengetriebenen Anwendungen verschiebt sich diese Rechnung jedoch häufig. Diskrete Topologien ermöglichen eine stärkere Anpassung an die jeweilige Applikation. Transformatoren, Schaltfrequenzen und Layout lassen sich gezielt optimieren. Dadurch sinken die Stückkosten und gleichzeitig können Wirkungsgrad und thermisches Verhalten verbessert werden.

In vielen Projekten liegt der Break-even-Point bei etwa 50.000 Einheiten. Unterhalb dieser Größenordnung bleiben Module häufig die wirtschaftlichere Lösung. Darüber hinaus gewinnen diskrete Architekturen an Attraktivität. Der neue Ansatz versucht, diesen Übergang innerhalb einer gemeinsamen Plattform abzubilden. Statt zwischen zwei getrennten Produktwelten wechseln zu müssen, können Entwickler auf dieselbe technologische Basis zurückgreifen.

Module als Antwort auf einen strukturellen Wandel

Die Verbreitung von DC/DC-Wandler-Modulen ist nicht nur technisch begründet. Sie ist auch eine Reaktion auf einen strukturellen Wandel in der Elektronikentwicklung. Analoge Leistungsstufen gehören zu den anspruchsvollsten Bereichen der Schaltungstechnik. Magnetische Bauteile, parasitäre Effekte, Schalttransienten und EMV-Verhalten müssen gleichzeitig unter Kontrolle gebracht werden. Doch die Anzahl erfahrener Analogentwickler nimmt zunehmend ab.

Module kompensieren diesen Engpass, indem sie einen großen Teil dieser Komplexität in ein fertiges Bauteil verlagern. Entwickler müssen sich dann nur noch mit wenigen externen Komponenten und dem Layout beschäftigen. In Großserien entstehen jedoch neue Anforderungen. Kostenoptimierung, thermische Integration und spezifische Systemanforderungen lassen sich mit diskreten Lösungen häufig besser adressieren. Recom setzte bislang stark auf Module und überträgt deshalb sein Integrationswissen nun auf diskrete Stromversorgungsarchitekturen.

Funktionskette aus Treiber, Transformator und Gleichrichter

Im Zentrum des Konzepts steht eine klar definierte Funktionskette aus drei zentralen Bausteinen:

• Leistungstreiber-IC

• SMD-Transformator

• Smart-Rectifier-IC auf der Sekundärseite

Der Treiber erzeugt die primäre Ansteuerung für den Transformator. Dieser übernimmt sowohl die galvanische Trennung als auch die Energieübertragung. Auf der Sekundärseite sorgt ein intelligenter Gleichrichter für die effiziente Wandlung in eine stabile Gleichspannung.

Der Gleichrichter arbeitet selbstversorgt („self powered“), sodass keine zusätzliche Hilfsspannung erforderlich ist. In vielen Referenzdesigns reduziert sich die externe Beschaltung dadurch auf lediglich wenige passive Bauelemente. Häufig reichen drei zusätzliche MLCC-Kondensatoren aus.

Die Architektur ist bewusst modular aufgebaut. Entwickler können einzelne Komponenten kombinieren oder austauschen und damit unterschiedliche Topologien realisieren, darunter Push-Pull- oder Full-Bridge-Schaltungen. Auch LLC-Konfigurationen lassen sich abbilden, beispielsweise als Open-Loop-Variante.

Aktueller Startpunkt der Plattformarchitektur

Den aktuellen Ausgangspunkt dieser Plattform bilden diskrete Leistungs-ICs und Transformatoren für kompakte isolierte DC/DC-Stromversorgungen. Ziel des Ansatzes ist es, isolierte Hilfsversorgungen mit möglichst geringer Stückliste aufzubauen und gleichzeitig typische Anforderungen der Leistungselektronik abzudecken, etwa für Gate-Treiber von IGBTs, MOSFETs oder SiC-Leistungshalbleitern.

Im einfachsten Fall lässt sich eine isolierte Stromversorgung mit nur drei aktiven Komponenten realisieren: einem Transformator-Treiber-IC, einem Leistungstransformator sowie einer Gleichrichterstufe. Ergänzt werden diese lediglich durch Ein- und Ausgangskondensatoren. Die Treiber-ICs unterstützen sowohl Push-Pull- als auch Full-Bridge-Topologien.

Passend dazu steht eine Reihe subminiaturisierter Leistungstransformatoren zur Verfügung. Je nach Typ erreichen diese Isolationsspannungen von etwa 1,5 kV DC bis zu 8 kV DC beziehungsweise 5 kV AC pro Minute und decken damit ein breites Spektrum industrieller Anwendungen ab.

Für die sekundärseitige Gleichrichtung stehen zwei Optionen zur Verfügung. Neben klassischen Dioden kann ein intelligenter Gleichrichter-IC eingesetzt werden, der zusätzliche Schutzfunktionen integriert. Dazu gehören ein kontinuierlicher Kurzschlussschutz sowie eine aktive Spannungsbegrenzung, die den Ausgang auch bei Lasttransienten stabilisiert.

Die Plattform ist bewusst modular aufgebaut. Entwickler können einzelne Komponenten – Treiber-ICs, Transformatoren oder Gleichrichter – separat einsetzen oder aufeinander abgestimmte Bauteilpaare verwenden. Für typische Anwendungen existieren bereits vorkonfigurierte Kombinationen.

Beispiel: diskreter Sperrwandler für industrielle Hilfsversorgungen

Neben einfachen isolierten Hilfsversorgungen umfasst das Portfolio auch Bausteine für geregelte Sperrwandler-Architekturen. Ein Beispiel ist die Kombination aus dem Leistungs-IC RVPW014 und dem Transformator RBE-017.

Diese Kombination ist für Eingangsspannungen von 9 bis 36 V_DC ausgelegt und stellt eine isolierte Ausgangsspannung von 12 V bei bis zu 6 W Ausgangsleistung bereit. Der Betrieb ist über den gesamten industriellen Temperaturbereich von –40 °C bis 85 °C ohne Derating möglich.

Die Regelung erfolgt primärseitig, sodass kein Optokoppler erforderlich ist. Zusätzlich sind Schutzfunktionen wie Kurzschluss- und Übertemperaturschutz integriert. Auch hier folgt der Ansatz dem Plattformprinzip: Entwickler können entweder einzelne Komponenten einsetzen, aufeinander abgestimmte IC-Transformator-Paare verwenden oder komplette Referenzdesigns übernehmen.

Für Anforderungen, die nicht durch die Referenz Design Lagerartikel abgedeckt werden, können Evaluation Boards mit beliebigen ICs und passendem Standardtransformator Kombinationen innerhalb von 20 Tagen geliefert werden.

Dieser Service wird aufgrund seiner schnellen Reaktionszeit unter dem Decknamen „Cheetah“ geführt.

Ein pin-kompatibler SN6501 als erster Benchmark

Ein wichtiges Element vieler isolierter Stromversorgungen ist die Push-Pull-Treiberstufe. Sie erzeugt eine symmetrische Ansteuerung des Transformators und ermöglicht damit eine effiziente Energieübertragung bei vergleichsweise geringer Schaltungskomplexität.

Ein weit verbreitetes Referenzprodukt in diesem Bereich ist der SN6501, der häufig für isolierte Hilfsversorgungen eingesetzt wird. Der Treiber arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 3,3 V oder 5 V und liefert auf der Primärseite Ströme von bis zu etwa 350 mA bei 5 V beziehungsweise 150 mA bei 3,3 V.

Der entsprechende Treiber des Herstellers ist in einem SOT23-Gehäuse verfügbar und pin-kompatibel zu diesem Baustein. Gleichzeitig stellt er eine 100 Prozent höhere Ausgangsleistung bei 3,3 V bereit und erlaubt damit leistungsfähigere isolierte Versorgungsstufen. Die Pin-Kompatibilität erleichtert es Entwicklern, bestehende Designs zu übernehmen oder schrittweise zu optimieren.

Magnetische Effekte und Stabilität in Push-Pull-Wandlern

Bei Push-Pull-Topologien spielt das Verhalten des Transformators eine entscheidende Rolle für die Stabilität des Systems. Idealerweise werden beide Halbwellen des Push-Pull-Treibers exakt symmetrisch angesteuert. In der Praxis können jedoch kleine Unterschiede in der Ansteuerung auftreten. Wenn sich diese Ungleichgewichte über mehrere Schaltzyklen aufaddieren, entsteht eine Drift des magnetischen Flusses im Kern.

Dieser Effekt kann dazu führen, dass der Transformator schrittweise in die Sättigung gerät. Die Folge sind steigende Verluste und potenziell instabile Betriebszustände. Entsprechende Ausgleichsmechanismen und eine geeignete Dimensionierung der magnetischen Bauteile sind daher entscheidend für ein stabiles System.

Die Transformatorphysik und ihre parasitären Effekte

Der Transformator bestimmt maßgeblich das Verhalten isolierter Stromversorgungen. Neben der Induktivität spielen parasitäre Kapazitäten eine zentrale Rolle für das EMV-Verhalten. Eine besonders kritische Größe ist die Kopplungskapazität zwischen Primär- und Sekundärseite. Sie bestimmt, wie stark hochfrequente Störungen über den Transformator übertragen werden.

Die verwendeten Transformatoren sind auf eine besonders geringe Kopplungskapazität optimiert und erreichen Werte von etwa 2 pF. Dieser Bereich liegt bereits nahe an der physikalischen Grenze dessen, was bei dieser Baugröße realisierbar ist. Eine geringe Kapazität reduziert die kapazitive Kopplung und verbessert damit sowohl das EMV-Verhalten als auch die Störfestigkeit des Systems.

Gate-Versorgungen für GaN- und SiC-Systeme

Ein wichtiges Anwendungsfeld isolierter Hilfsversorgungen sind Gate-Treiber für Leistungshalbleiter. Bei GaN-Systemen sind die benötigten Leistungen relativ gering, steigen jedoch mit zunehmender Schaltfrequenz deutlich an. Die Hilfsversorgung muss deshalb kompakt, effizient und gleichzeitig störarm ausgelegt sein.

Bei SiC-Anwendungen entstehen zusätzliche Anforderungen. Viele Gate-Treiber benötigen eine negative Gate-Spannung, um ein zuverlässiges Abschalten zu gewährleisten. Dadurch entstehen asymmetrische Versorgungskonzepte mit positiven und negativen Ausgangsspannungen.

Solche Designs gelten als besonders empfindlich gegenüber parasitären Effekten und Schalttransienten. Eine sorgfältige Abstimmung zwischen Treiber, Transformator und Gleichrichter ist daher entscheidend.

EMV-Optimierung durch flexible Taktarchitekturen

Auch bei der elektromagnetischen Verträglichkeit bietet die Architektur mehrere Optionen. Einige Varianten arbeiten mit einer festen internen Schaltfrequenz. Alternativ lassen sich Designs über Pins konfigurieren oder über eine externe Clock synchronisieren. Auch eine Dual-Clock-Konfiguration ist möglich.

Diese Flexibilität erleichtert es Entwicklern, die Stromversorgung an die Taktstruktur des Gesamtsystems anzupassen und gleichzeitig EMV-Anforderungen zu erfüllen.

Unterstützung bei der Auslegung diskreter Stromversorgungen

Neben den Bauteilen selbst stellt Recom auch Unterstützung bei der Auslegung diskreter Stromversorgungen bereit. Kunden können passende Kombinationen aus Treiber-ICs, Transformatoren und Gleichrichtern vorgeschlagen bekommen.

Zusätzlich steht eine parametrische Produktsuche zur Verfügung, mit der sich geeignete Bauteilkombinationen anhand zentraler elektrischer Parameter auswählen lassen. SPICE-Modelle werden für Simulationen verfügbar sein.

Weiterentwicklung des Plattformansatzes und Ausblick

Das Konzept wurde parallel 2025 zur embedded world initiiert und dort 2026 offiziell vorgestellt. Weitere Bausteine und Erweiterungen sind bereits geplant. Neue Komponenten, die diesen Plattformansatz erweitern, sollen unter anderem zur electronica präsentiert werden. (mr)

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