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Application Notes | 25 November 2020
Vermeiden der versteckten Kosten von isolierten Designs
Der Trend hin zu kleineren und leichteren elektrischen Systemen ist unverkennbar. Ein Paradebeispiel dafür ist die Elektrifizierung des Automobils. Jüngste Prognosen der Wirtschaftsprüfungs- und Beratungsgesellschaft PwC gehen davon aus, dass Hybrid- und vollelektrische Fahrzeuge bis 2024 einen Anteil von 40% am weltweiten Umsatz ausmachen.
Die zunehmende Fahrzeugelektrifizierung führt zu einer steigenden Notwendigkeit an Isolation zwischen den elektrischen Komponenten und Systemen, deren Anzahl ebenfalls zunimmt. So wächst zum Beispiel die Zahl der Elektrofahrzeuge mit 400V-Stack-Batterien, die von von offensichtlichen sicherheitsrelevanten Aspekten begleitet werden.
Mehr elektrische Komponenten fordern mehr Isolation
Durch die Bereitstellung von Isolationslösungen der nächsten Generation steigen die Zahl und Vielfalt der damit verbundenen Herausforderungen. Die Systeme, insbesondere im Hinblick auf die Isolation, beinhalten komplexe Architekturen und Prozesse, welche die Flexibilität begrenzen sowie Einschränkungen und Hindernisse für Veränderungen mit sich bringen.
Der zunehmende Wettbewerb und die Globalisierung zwingt Unternehmen, sich mehr auf Kriterien wie Time-to-Market (TTM) und Return-on-Investment (ROI) zu konzentrieren. Dies bedeutet, dass Entwicklerteams zeitlich dicht gedrängte Abläufe perfekt durchführen müssen. Mit zunehmend überprüften und gedehnten Design- und Entwicklungsressourcen gibt es keine lange Liste an Erfahrungen in allen kritischen Disziplinen. Iterationen müssen auf ein Minimum beschränkt sein, um das angestrebte ROI zu erreichen. Gleichzeitig kann der Druck von Wettbewerbern die gesteckten Leistungsziele schnell und unerbittlich erhöhen, um Produkte weiter zu differenzieren. Auch gibt es neue Regulierungsbehörden und strengere Vorschriften, die eine weitere Stufe von Anwendungstests und Zertifizierung hinzufügen. Diese Anforderungen und Risiken sind hoch.
Isolationsdesign verstehen
Isolation ist ein wesentlicher und kein einfacher Bestandteil bei der Entwicklung von Isolationsdesigns. Von der Ermittlung des erforderlichen Isolationsgrads über die Bereitstellung isolierter Energie zur Ergänzung des isolierten Datenpfads bis hin zur Anpassung der Lösung an den verfügbaren Platz sind viele Entwicklungskompromisse abzuwägen.
Doch jedes neue Projekt bringt seine eigenen, einzigartigen Designziele und Anforderungen mit sich. Mehrere Faktoren, einschließlich technische Schwierigkeiten, Ähnlichkeiten zu vorherigen Designs, Zeit- und Ressourcenplanung, geben vor, welche Teile einer Entwicklung sich bei neuen Entwicklungen wiederverwenden lassen.
Bisherige Entwicklungs- oder Architekturkonzepte mit minimalen Änderungen wiederzuverwenden, verringert normalerweise Risiken und ermöglicht eine schnellere Umsetzung. Allerdings erfordern neue Leistungsmerkmale oder ein erhöhtes Leistungsniveau oft die Untersuchung von neuen Konzepten. Es kann auch eine Frage des Einsatzes von begrenzten Entwicklungsressourcen zur Evaluierung neuer und verbesserter Technologien sein, um Wertschöpfungsanteile der Entwicklung bereitzustellen.
Die Beschränkungen von herkömmlichen Ansätzen
Mit integrierten isolierten DC/DC-Wandlern lassen sich viele Überlegungen leichter umsetzen, da nun kompakte und einfach handhabbare Lösungen mit dokumentierten Sicherheitszertifizierungen verfügbar sind. Man stelle sich das Szenario eines neuen Projekts vor, bei dem eine bereits vorhandene Entwicklung auf ein höheres Leistungsniveau mit zusätzlichen Leistungsmerkmalen gebracht werden soll. Die Teammitglieder sind sofort motiviert und bereit, gleich mit der Arbeit zu beginnen. Der technische Projektleiter jedoch muss sich um alle verschieden Dinge kümmern, die schiefgehen können und die zunehmende Komplexität bei knappen Budget- und Zeitvorgaben beherrschen.
Zu den Herausforderungen beim Projektmanagement gehört auch die Aufgabe, zunehmend anspruchsvollere Anforderungen hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) zu erfüllen. Immer mehr neue Anwendungen und Märkte verlangen die Einhaltung zahlreicher EMV-Spezifikationen, wobei sich die Messlatte mit ausgedehnteren Leistungsgrenzen weiter erhöht.
Kompaktes und einfaches Layout mit dem ADuM5020.
Das kleine Gehäuse (16- und achtpoliges Wide Body SOIC) beansprucht nur wenig Platz auf der Leiterplatte.Zum Erreichen der Störstrahlungsvorgaben ist kein Sicherheitskondensator notwendig. Dies macht die isolierte Leistungsschaltung kleiner und preiswerter als ein diskretes Konzept, wie beispielsweise ein Embedded Stitching-Kondensator, der vier oder mehr Lagen mit individuellen Abständen benötigt, um die richtige Kapazität zu produzieren.
Den Bedarf nach mehr Isolation ohne mehr Komplexität decken
Der Bedarf an Isolation steigt mit der zunehmenden Elektrifizierung von Automobilen und anderen Fahrzeugen. Gleichzeitig treibt ein verschärfter Wettbewerb die Notwendigkeit zur Senkung der Kosten und Verkürzung der Time-to-Market. Gekoppelt mit diesen Faktoren sind strengere regulatorische Anforderungen und die dem Isolationsdesign innewohnende Komplexität.
Dieser Zusammenfluss von Marktanforderungen und Herausforderungen lässt sich mit herkömmlichen Isolationskonzepten nicht erfüllen. Komplett integrierte und sicherheitszertifizierte isolierte DC/DC-Wandler mit dokumentierten EMV-Leistungsdaten bieten Systementwicklern eine bessere Lösung. Sie können die Entwicklungskomplexität deutlich reduzieren und bessere EMV-Tests und die Einhaltung von Vorschriften sicherstellen. Bei weniger Zeit für Redesign, Recharakterisierung und erneute Tests können Entwickler den Leiterplattenplatz verringern, Risiken mindern, die Kosten senken und die Time-to-Market verkürzen.
Autorenvorstellung David Carr ist der Applikationsingenieur-Manager in der Interface and Isolation Group bei © Analog Devices. Er hat die meiste Zeit seiner Laufbahn mit der Definition, Entwicklung, Marketing und Applikationsunterstützung für High-Speed Analog- und Mixed-Signal Produkte verbracht.
Existierende diskrete Lösungen, beispielsweise isolierte Sperrwandler, bieten zwar Vorteile wie geringe Bauteilekosten (BOM), bringen jedoch auch Nachteile mit sich. Ein typisches Sperrwandlerdesign (Bild 1) enthält einen Controller, der einen Transformator treibt, mit Gleichrichtung und Filterung auf der Sekundärseite sowie ein optisch isoliertes Rückkopplungsnetzwerk. Für den Fehlerverstärker ist ein Kompensationsnetzwerk zur Stabilisierung des Spannungskreises zu entwickeln. Außerdem beeinträchtigen Schwankungen der Optokoppler-Leistungsdaten den Fehlerverstärker. Häufig werden Optokoppler als kostengünstige Isolatoren für den Einsatz in Stromversorgungen betrachtet. Allerdings weisen sie Änderungen des Stromübertragungsverhältnisses (CTR) auf, welche die Leistungsfähigkeit der Spannungsrückkopplung und den effektiven Betriebstemperaturbereich begrenzen. Das CTR ist definiert als Verhältnis aus Ausgangstransistorstrom zu Eingangs-LED-Strom. Es verläuft nichtlinear und schwankt erheblich zwischen Bauteilen. Optokoppler weisen normalerweise beim anfänglichen CTR eine Unsicherheit von 2:1 auf, die sich nach einigen Jahren in Umgebungen mit hohen Temperaturen, beispielsweise in Stromversorgungen mit hoher Leistung und hoher Leistungsdichte, um bis zu 50% vermindern kann. Für einen Projektmanager erscheint das diskrete Sperrwandlerkonzept aus Kostensicht besser, wobei es jedoch Entwicklungskompromisse und technische Risiken mit sich bringt. Ein weiteres Problem des disktreten Konzeptes besteht in der Erfüllung der relevanten Sicherheitsstandards. Da Sicherheitsbehörden diskrete Entwicklungen genauer überprüfen, können oft mehrere Entwicklungsiterationen erforderlich sein, um die notwendigen Zertifizierungen zu erhalten. Isolation im System erhöht auch die Komplexität von Leistungsdesigns. Ein typisches nicht-isoliertes Design bringt die üblichen Einschränkungen mit sich wie zum Beispiel Ein- und Ausgangsspannungsbereiche, maximaler Laststrom, Rauschen und Welligkeit, Verhalten von Transienten und Anlaufeigenschaften. Ihrem Wesen nach beseitigt die Isolationsbarriere die Fähigkeit, Ein- und Ausgangssituationen gleichzeitig zu überwachen, was es erschwert, das Leistungsniveau zu erreichen. Die separaten Massebereiche bilden eine Dipolantenne und Gleichtaktströme, die die Barriere durchqueren. Sie regen den Dipol an und führen zu unerwünschter, abgestrahlter Energie. Die Tests bestehen Damit eine diskrete Leistungsschaltung die EMV-Zertifizierung erhält, können mehrere Iterationen notwendig sein. EMV-Tests dauern lange, sind teuer und bringen mit sich, dass Teams viele Stunden mit der Vorbereitung und Überwachung der Tests bei einer externen Compliance-Einrichtung verbringen müssen. Sobald Probleme auftreten, heißt es zurück ins Labor, um Fehler zu suchen und entsprechende Änderungen vorzunehmen. Anschließend muss die Entwicklung komplett neu charakterisiert werden, um sicherzustellen, dass die Standard-Leistungsdaten durch die Modifikationen nicht beeinträchtigt wurden. Erneut geht es dann in die EMV-Einrichtung zur Nachprüfung. Die letzte Phase dreht sich um den Erhalt der notwendigen Sicherheitszertifizierungen. Auch dies ist ein langwieriger und teurer Prozess, der von einer externen Sicherheitsbehörde durchgeführt wird. Eine umfangreiche Dokumentation muss vom Entwicklerteam vorbereitet werden und wird von der Behörde sorgfältig geprüft. Jede Neuerung wird besonders intensiv geprüft und macht die Wiederverwendung von bereits zertifizierten Schaltungen wünschenswert. Eine diskrete isolierte Leistungsschaltung ist gegebenenfalls zu ändern, falls die Behörde entscheidet, dass sie die Sicherheitsanforderungen nicht erfüllt. Nach der Änderung muss das Design erneut recharakterisiert werden und die EMV-Tests durchlaufen. Eine bessere Lösung Die Antwort auf diese Problematik ist ein komplett integriertes und sicherheitszertifiziertes Bauteil mit dokumentiertem EMV-Verhalten. Ein Beispiel dafür sind die isolierten DC/DC-Wandler ADuM5020/ADuM5028 mit geringer Störstrahlung und isoPower®-Technologie. Die Wandler stellen bei einer Versorgungsspannung von 5VDC eine isolierte Leistung von 0,5W zur Verfügung und arbeiten bei Temperaturen von –40 bis +125°C. Sie sind entsprechend mehrerer System- und Komponenten-Sicherheitsspezifikationen wie UL, CSA und VDE zertifiziert. Außerdem erreichen die Bauteile System-EMV-Pegel gemäß EN 55022/CISPR 22, Klasse B, unter Volllast auf einer einfachen zweilagigen Leiterplatte (Bild 2).Typischer isolierter DC/DC-Sperrwandler.

Autorenvorstellung David Carr ist der Applikationsingenieur-Manager in der Interface and Isolation Group bei © Analog Devices. Er hat die meiste Zeit seiner Laufbahn mit der Definition, Entwicklung, Marketing und Applikationsunterstützung für High-Speed Analog- und Mixed-Signal Produkte verbracht.
Startschuss für EKPO Fuel Cell Technologies
EKPO Fuel Cell Technologies, das Gemeinschaftsunternehmen von ElringKlinger (60 Prozent) und Plastic Omnium (40 Prozent), nimmt jetzt seine Tätigkeit auf. Alle vertraglichen Regelungen seien umgesetzt und die erforderlichen kartellrechtlichen Zustimmungen erteilt, heißt es in einer Pressemitteilung.
David gegen Goliath – Europas Standing im Weltmarkt der Elektronik
Europas Weltmarktanteil an Elektronik sinkt und ist auf dem Weg in Richtung 8%. Zur Verdeutlichung: Apple und Samsung beanspruchen jeder für sich alleine den Elektronikjahresbedarf von Gesamteuropa - ein einziges Unternehmen so viel wie gesamt Europa!
ZKW expandiert in Tschechien und in China
Anfang Mai erweitert die ZKW Group ihre zehn internationalen Standorte um ein neues Entwicklungsbüro im tschechischen Olmütz. Zudem kommt ein Vertriebs- und Entwicklungsbüro in Shanghai hinzu, berichtet das Unternehmen in einer Pressemitteilung.
Kabelindustrie kämpft mit Problemen bei der PVC-Versorgung
Europaweit sehen sich die Hersteller von Kabeln und Leitungen mit Problemen in der Lieferkette konfrontiert. Schwierigkeiten gibt es vor allem beim Nachschub von PVC (Polyvinylchlorid).
ebm-papst startet neue Bauprojekte in Mulfingen
Am Sitz der Unternehmenszentrale in Mulfingen investiert der Technologieführer von Ventilatoren und Motoren knapp 20 Millionen Euro in drei neue Gebäude.
Elmos: Hohe Wachstumsdynamik im Q1/2021
Die Elmos Semiconductor SE hat im Geschäftsjahr 2020 nach vorläufigen, ungeprüften Zahlen einen Umsatz von 232,6 Mio. Euro erreicht (Guidance: 227 bis 233 Mio. Euro). Der Umsatz lag pandemiebedingt 14,9% unter dem Halbleiterumsatz des Vorjahres.
Daimler Truck AG und Volvo Group gründen Brennstoffzellen-JV
Die Daimler Truck AG und die Volvo Group haben nun das bereits angekündigte Brennstoffzellen-Joint Venture cellcentric gegründet.
Leoni verkauft WCS-Einheit Leoni Schweiz AG
Vorstand und Aufsichtsrat der Leoni AG haben den Verkauf der Leoni Schweiz AG an ein Käuferkonsortium beschlossen.
Bottleneck verzögert die Fabriksschliessung bei ADI
Im Januar berichtete Evertiq, dass Analog Devices plant, sein Werk in Milpitas, Kalifornien, dauerhaft zu schließen.
Vitesco Technologies: Produktionsstart im ungarischen Debrecen
Nach nur zwei Jahren Bauzeit ging gestern das jüngste Werk von Vitesco Technologies im ungarischen Debrecen in Betrieb. Auf rund 7.000 Quadratmetern produziert der Antriebsspezialist dort künftig High-Tech-Elektronik sowie Getriebe-Sensorik für alle Antriebsarten.
COVID-Ausbruch zwingt Miele, die Produktion einzustellen
Trotz umfassender Schutzmaßnahmen ist es im Miele-Werk Euskirchen zu Infektionen mit SARS-CoV-2 gekommen. Bei sechs von zunächst acht positiv getesteten Fällen wurde zudem die als besonders ansteckend geltende britische Virusvariante B.1.1.7 nachgewiesen.
Neways verbucht 2020 EUR 478,6 Mio. Umsatz
Der vermeldete Nettoumsatz sinkt um 10,3 % auf EUR 478,6 Mio. durch eine geringere Nachfrage der Automobilindustrie und des automobilbezogenen Teils der Industriebranche.
TSMC in drei Top10 zu finden
Die IC Insights Analyse zeigt, dass nur TSMC - die weltweit größte Gießerei - in jeder der drei Wafergrößenkategorien unter den führenden Anbietern von Waferkapazitäten aufgeführt ist (Stand: Dezember 2020).
SK Hynix unterzeichnet einen Vertrag mit ASML
Der niederländische Anbieter von Halbleiterausrüstung ASML hat mit SK Hynix einen Fünfjahresvertrag im Wert von 4,3 Mrd. USD unterzeichnet.
Renesas Naka wieder auf Max-Leistung
Nach dem Erdbeben an der Küste der Präfektur Fukushima und der umliegenden Gebiete am 13. Februar stellte Renesas die Produktion in seiner Fabrik in Naka ein, um mögliche Schäden zu untersuchen.
Umsatz der Top10 Foundries steigt um 20% in 1Q/21
Die Nachfrage auf dem globalen Foundry-Markt bleibt auch im ersten Quartal 2021 stark. Da verschiedene Endprodukte weiterhin eine hohe Nachfrage nach Halbleitern erzeugen, überdenken Foundry-Kunden bereits Beschaffungsmassnahmen und die Supply Chain.
Feinhütte bleibt lieferfähig trotz angespanntem Zinnmarkt
Die Preise für Zinn haben mittlerweile ein 8-Jahres-Hoch erreicht. Die drastischen Verknappungen und die steigende Nachfrage am internationalen Zinnmarkt haben den Börsenpreis an der London Metal Exchange (LME) in den letzten Wochen in nicht gekannte Höhen getrieben.
Zweistelliger Exportrückgang im Corona-Krisenjahr
Die weltweite Corona-Krise hat auch zu hohen Exporteinbußen der Maschinen- und Anlagenbauer geführt. Im Jahr 2020 wurden aus Deutschland Maschinen und Anlagen im Wert von 160 Milliarden Euro exportiert – 12 Prozent weniger als im Vorjahr.
Continental investiert in deutsch-amerikanisches KI-Chip-Start-up Recogni
Das Technologieunternehmen Continental hat eine Minderheitsbeteiligung am deutsch-amerikanischen Start-up Recogni erworben.
RUAG Space will 100 Arbeitsplätze streichen
Um auf ein verändertes Marktumfeld zu reagieren und die Basis für mehr Wachstum zu schaffen, stellt sich RUAG Space neu auf. Dies soll ab dem dritten Quartal 2021 in Kraft treten. Dies beinhaltet auch einen Abbau von bis zu 100 der heute 1'300 weltweiten Stellen bis Ende 2021.
Deutsche Elektroexporte konnten sich zuletzt erholen
Der Außenhandel der deutschen Elektroindustrie hat sich zum Jahresende nochmal spürbar erholt: Während die Exporte im Dezember 2020 ihren entsprechenden Vorjahreswert mit EUR17,1 Milliarden um 5,2 Prozent übertrafen, zogen die Importe mit einem Plus von 13,1 Prozent auf ebenfalls EUR 17,1 Milliarden sogar zweistellig an.
Langzeitlagerung als Herausforderung im Rahmen eines strategischen Obsoleszenzmangements
Die aktuellen weltweiten Krisen führen auch auf dem Halbleitermarkt zu immer mehr Verwerfungen. Halbleiterhersteller konsolidieren ihre Produktlinien oder fusionieren zu immer größeren Konzernen.
Die Posiflex Gruppe strafft Strukturen in Europa
Portwell Deutschland GmbH und KIOSK Information Systems Europe werden zur KIOSK Embedded Systems GmbH fusioniert.
ESCHA verstärkt Vertriebsmannschaft
Der Anschlusstechnikspezialist ESCHA hat seine deutsche Vertriebsmannschaft verstärkt. Zum 1. Januar 2021 hat Matthias Averhage als neuer Key Account Manager bei dem südwestfälischen Unternehmen begonnen.
"Lieferkettengesetz schafft vor allem mehr Bürokratie"
Die schlimmsten Fehler des Sorgfaltspflichtengesetzes wurden zwar ausgemerzt, doch auch der neue Anlauf wird für Unternehmen spürbar mehr Bürokratie und Belastung darstellen.
Ford wird seine europäischen Aktivitäten elektrifizieren - USD 1 Mrd. investieren
Ford investiert mehr als eine Milliarde Dollar in die Modernisierung seiner Fahrzeugfertigung in Köln und baut sie zum Ford Cologne Electrification Center aus.
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