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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.
BMW und LION Smart Production kooperieren
LION Smart Production GmbH und BMW AG gehen in Sachen Batteriesysteme künftig einen gemeinsamen Weg. Das haben beide Unternehmen jetzt mitgeteilt.
Experte prophezeit Veränderungen auf dem Chip-Markt
Die Chip-Knappheit beeinflusst seit Monaten weltweit die Elektronik-Produktion. Nach Meinung von Experten könne sich die Situation zum kommenden Jahr aber in Überkapazitäten umkehren. Grund sei der groß angelegte Ausbau der Produktion, der bald Früchte tragen werde, sagt der Branchenanalyst Alan Priestley vom IT-Marktforscher Gartner der dpa.
Laserkommunikations-Demonstration für ISS
Mynaric und Airbus U.S. Space & Defense haben einen Vertrag über den Betrieb des CONDOR Mk2-Terminals von Mynaric für weltraumgestützte Laserkommunikation auf der funktionalen Testplattform Bartolomeo der Internationalen Raumstation (ISS) unterzeichnet. Mynaric plant, sein industrialisiertes optisches Kommunikationsterminal auf der ISS zu betreiben, um die Fähigkeiten des Produkts in der erdnahen Umlaufbahn zu demonstrieren.
Carl Zeiss Meditec legt beim Umsatz deutlich zu
Carl Zeiss Meditec hat in den ersten sechs Monaten des Geschäftsjahres 2021/22 einen Umsatz von 855,4 Millionen Euro (Vorjahr 767,4 Millionen Euro) erreicht, dies entspricht einer Steigerung von 11,5 Prozent (währungsbereinigt: +10,7 Prozent) im Vergleich zur Vorjahresperiode. Der Auftrags-Eingang stieg noch stärker als der Umsatz um 30,7 Prozent auf 1.062,3 Millionen Euro (Vorjahr 812,9 Millionen Euro).
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SÜSS MicroTec wieder mit hohem Auftragseingang
Die SÜSS MicroTec SE hat die Quartalsmitteilung für die ersten drei Monaten des Geschäftsjahres 2022 veröffentlicht. Im ersten Quartal 2022 konnte mit 117,6 Millionen Euro der bisher höchste Auftragseingang des Unternehmens in einem Quartal erreicht werden, was einer Steigerung von 45,2 Prozent entspricht (Q1 2021: 81,0 Millionen Euro).
CN Rood übernimmt ABtronix
Der Anbieter von Test- und Messgeräten, CN Rood, baut seine Position in Skandinavien und den Benelux-Ländern durch die Übernahme von ABtronix aus. ABtronix, mit Sitz im niederländischen Breda, vertritt zehn Test- und Messgeräteanbieter in den Benelux-Ländern
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ams OSRAM erzielt Vereinbarung mit Prosperity Group
ams OSRAM hat bekannt gegeben, dass eine Vereinbarung über den Verkauf des Geschäftsbereichs Traxon Technologies, einschließlich der dynamischen Lichtsteuerung e:cue, an die Prosperity Group mit Hauptsitz in Hongkong getroffen worden ist. Die Prosperity Group sei ein moderner Mischkonzern, der in der Beleuchtungsindustrie tief verwurzelt ist. Die Prosperity Group ist ein langjähriger Partner von ams OSRAM und OSRAM.
Globaler Chipmangel belastet Umsatzentwicklung bei SMA Solar
Die SMA Solar Technology AG hat im ersten Quartal 2022 einen Umsatz von 220,6 Millionen Euro erzielt (Q1 2021: 240,4 Millionen Euro). Dass der Umsatz unter dem Vergleichsquartal im Vorjahr lag, sei auf die weiterhin angespannte Versorgungslage mit elektronischen Chips zurückzuführe
Neue Leistungselektronik für eine sonnige Zukunft
Im Projekt GaN-HighPower werden neue Technologien für den Einsatz in Photovoltaik-Wechselrichtern der nächsten Generation entwickelt und praktisch erprobt.
STEMMER IMAGING trotzt globalen Lieferengpässen in Q1
STEMMER IMAGING ist stark in das Geschäftsjahr 2022 gestartet und konnte im ersten Quartal seine erfolgreiche Performance aus den vergangenen Quartalen weiter fortsetzen. Der Auftragseingang verzeichnete demnach gegenüber dem Vorjahresquartal einen Anstieg um 21,9 Prozent auf 43,4 Millionen Euro.
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Die Leiterplattenindustrie entwickelt sich kontinuierlich weiter und es werden fortlaufend Verbesserungen im Produktdesign gesucht. Eine der Technologien, die in der Leiterplattenproduktion eingesetzt wird, ist die Pedestal-Technologie. Was ist das für eine Technologie und warum wird sie eingesetzt?
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