R4-Wechselrichter der nächsten Generation im SiP-Gehäuse und modulare Stromversorgungen

Neue Generation von R4-Wandlern in SiP-Gehäusen und modulare Stromversorgungen

Modulare Miniatur-DC-DC-Wandler werden in zunehmendem Maße in elektronischen Schaltungsentwürfen eingesetzt, da die Anzahl der Spannungen, die benötigt werden, ständig steigt. Effiziente Mikroprozessorsysteme erfordern Spannungen von 1,8–3,3 V, Standardlogik 5 V, Aktuatoren werden mit 12–24 V betrieben usw. Analoge Schaltungen, Kommunikationsschnittstellen werden mit symmetrischen Spannungen wie ±12 V versorgt, und Leistungstransistor-Treiber benötigen +15 V und –5 V, was eine mehrstufige Konvertierung innerhalb eines Systems oder sogar einer Leiterplatte erfordert. DC-DC-Wandler eignen sich dafür perfekt.

Der Bedarf an ihrer Verwendung wird auch durch die Notwendigkeit erhöht, die sichere Verwendung sicherzustellen, was die Notwendigkeit der galvanischen Trennung der Schaltkreise erfordert, um einen Stromschlag zu verhindern und Leckströme zu beseitigen. Isolierte Wandler sind oft eine Lösung für Probleme mit Störungen und ermöglichen die Trennung der Masse in zwei Teile, um beispielsweise den Treiber von einem Hochspannungsnetz zu trennen, und so weiter. Ihre Anwendungen nehmen ständig zu. Die Aufteilung von DC-DC-Wandlern ist recht einfach, und die Trennlinien bilden die Hauptfunktionen:

• • isolierte oder nicht isolierte Wandler,
• • mit oder ohne Ausgangsspannungsstabilisierung (die Spannung wird durch den Transformator festgelegt),
• • mit einer oder mehreren Ausgangsspannungen (einschließlich symmetrischer Versionen),
• • mit fester (festgelegter) Eingangsspannung oder Betrieb im Spannungsbereich (2:1…10:1).

Neues innovatives Produkt – R4-Wandler

Die Firma Mornsun hat eine neue Familie isolierter DC-DC-Wandler "R4" (A/B/E/F_T-1W) mit fester Eingangsspannung auf den Markt gebracht. Diese Komponenten zeichnen sich durch eine sehr miniaturisierte Bauweise aus. Die gesamte elektronische Schaltung und der Transformator wurden in einem kleinen rechteckigen Gehäuse untergebracht, das in etwa der Größe typischer Gehäuse für integrierte Schaltungen mit Kontakten auf der Unterseite entspricht, wie bei DFN-Gehäusen (9×7×3,1 mm – Volumen 195 mm3). Dies ermöglicht ihre problemlose Integration in Leiterplatten, reduziert die Herstellungskosten und bietet mehr Gestaltungsfreiheit. Im Vergleich zu konkurrierenden und älteren Lösungen erreicht die Gehäusevolumenreduktion bei R4 bis zu 80%, während die PCB-Besetzung um 50% reduziert wird – auf 63 mm2. Diese hohe Miniaturisierung wurde durch die Integration des Transformators in die Substratplatine und der Komponenten im Rahmen eines SiP-Pakets (System in Package) erreicht. Mit einer höheren Integration wurde die Zuverlässigkeit der Wandler wesentlich verbessert – sie erfüllen die Anforderungen der Automobilindustrie gemäß AEC-Q100 und arbeiten im Temperaturbereich von –40 bis +125ºC.

Es ist erwähnenswert, dass das DFN-Gehäuse mit Kontakten auf der Unterseite für die automatische Montage im Reflowlötprozess vorgesehen ist. Dies ist ein weiteres wichtiges Merkmal, das die R4-Wandler im Vergleich zu anderen Lösungen auszeichnet, da viele konkurrierende Produkte eine Wellenlötung erfordern, was in der Produktion teurer ist. Die Wandler sind vollständig gegen Kurzschluss und Überlast geschützt. Sie haben eine geringe Kapazität zwischen Ein- und Ausgang (nur 8 pF), was einen geringen Isolationsstrom garantiert (mit einer garantierten Durchbruchspannung von 3 kVDC). Sie entsprechen der neuen Sicherheitsnorm IEC62368, ihre typische Konversionswirkungsgrad beträgt 85%, die Eingangsspannung beträgt 5 V (4,5–5,5 V), die Ausgangsrauschen und -rippel betragen 30 mVpp, die Spannungsstabilisierung beträgt 8% und der maximale Ausgangsstrom beträgt 200 mA (1 W). Die Leerlaufleistungsaufnahme beträgt 35 mW, was deutlich weniger ist als bei Produkten der Konkurrenz. Der Hersteller kündigt an, dass in den nächsten Monaten weitere Spannungsvarianten auf den Markt gebracht werden.

LD-Stromversorgungen

Die LD-Serie von Stromversorgungen sind Wandlerlösungen mit einer Ausgangsspannung, die in einem DIP-Modulgehäuse untergebracht sind und zur Zusammenarbeit mit dem Stromnetz bestimmt sind. Sie sind eine bequeme Lösung für eine einsatzbereite Stromversorgung für Geräte mit geringer Leistung wie Hausautomatisierungssteuerungen, Haushaltsgeräte, Kommunikationsgeräte und viele andere. An jedem dieser Orte muss eine Stromversorgung für Mikrocontroller, Logikschaltungen, Sensoren und Kommunikationsschaltungen bereitgestellt werden.

In der Regel erfordern solche Anwendungen keine hohe Leistung, die kleinsten erfordern nur wenige Watt, die komplexeren oder solche, die Ventile steuern müssen, benötigen eine Leistung von einigen zehn Watt. Von allen diesen Stromversorgungseinheiten wird Universalität und Zuverlässigkeit verlangt. Die Universalität ergibt sich daraus, dass ein großer Teil der genannten Produkte auf verschiedene Märkte weltweit gelangt, auf denen die Netzspannungen unterschiedlich sind, und zusätzlich können die Kosten für Wartung, Transport und Ausfallzeiten sehr hoch sein. Eine Stromversorgung für solche Zwecke muss besser sein als alle anderen Komponenten und absolut zuverlässig sein, daher bieten die Hersteller Lösungen an, bei denen vollständig auf Probleme verzichtet wird.

Die LD-Stromversorgungen arbeiten mit einer Eingangsspannung in einem der drei Bereiche: 85–305, 85–264 und 90–528 VAC. Letzteres ist so breit, dass es auch die Versorgung mit zwischenphasigem Spannung ermöglicht und in herkömmlichen Lösungen eine außergewöhnlich hohe Überspannungsfestigkeit gewährleistet. Die Ausgangsleistung beträgt je nach Version 1, 3, 5, 10, 15, 20 und 30 Watt, bei einer Leerlaufleistungsaufnahme von 0,1 W und einem weiten Temperaturbereich von –40…+85ºC. Die Ausgangsspannungen liegen zwischen 3,3 und 24 V, die garantierte Isolationsfestigkeit von 4 kVAC ist höher als der typische Wert der meisten AC/DC-Stromversorgungen (3 kVAC in der Isolationsklasse II), was die Sicherheit verbessert und den Einsatz von Wandlern in medizinischen Geräten ermöglicht (Entsprechung mit den Normen EN60601, Sicherheitsnorm EN62368). Die Gehäusegröße hängt von der Ausgangsleistung ab, für die kleinsten (1–2 W) beträgt sie 33×22×18 mm. 5–10 W Stromversorgungen haben eine Größe von 37× 24×18 mm, 15-W-Versionen sind in einem Gehäuse von 53×28×23 mm untergebracht (Gewicht 60 Gramm). Der maximale Ausgangsstrom hängt von der gewählten Spannung und Leistung der Stromversorgung ab, wobei die Qualität der Spannungsstabilisierung je nach Version 2–3% beträgt. Beachtenswert ist die hohe MTBF von etwa 300.000 Stunden und die vom Hersteller betonte sehr geringe elektromagnetische Störaussendung.

Industrielle Stromversorgungen in Gehäusen

Mornsun produziert auch industrielle AC-DC-Stromversorgungen in Metallgehäusen, die für die Montage in Geräten, Schaltschränken oder auf dem Chassis vorgesehen sind. Diese Produktfamilie umfasst Dutzende von Einheiten mit einer Ausgangsleistung von 15 bis 350 W und einer Ausgangsspannung im Bereich von 5–48 VDC. Dies sind robuste Lösungen, die bei Temperaturen von –30 bis 70ºC zuverlässig arbeiten und eine Stromversorgung in einem weiten Spannungsbereich, typischerweise 85–264 VAC, ermöglichen, aber es gibt auch Modelle mit einem Bereich von 120–430 VAC. Viele Modelle ermöglichen auch die Versorgung mit Gleichspannung. Die Stromversorgungen haben einen hohen Wirkungsgrad von über 90%, eine galvanische Isolation von 4 kVAC und sind mit einer Reihe von Zertifikaten ausgestattet. Sie entsprechen auch der neuesten Sicherheitsnorm EN62368.

Quelle:  "Elektronik" 2020/09, S. 46-47.

Abb. 1. Neue R4 DC-DC-Wandler sehen einfach aus wie Chips in DFN-Gehäusen

Abb. 2. Modulare AC-DC-Stromversorgungen der LD-Serie sind bequeme, zuverlässige Anwendungsprodukte

Abb. 3. Typisches Anwendungsschema für LD-Stromversorgungen