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Das Internet der Dinge (IoT) führt dazu, dass unsere Welt immer stärker vernetzt wird. Wenn Produkte, Anwendungen und Technologien mit immer komplexeren Geräten betrieben werden, steigt auch der Bedarf an komplexeren Spannungsversorgungen. Die Verwendung eines DC/DC-Wandlers mit zwei Ausgängen ist ein praktikabler Ansatz zur Bereitstellung einer Versorgungsschiene mit höherer Spannung. Dieser Blog erläutert, wie sich ein DC/DC-Wandler mit zwei Ausgängen in Ihre Designs integrieren lässt, um die Anforderungen an eine höhere Versorgungsspannung zu erfüllen.

Die Komplexität mehrerer Versorgungsschienen bewältigen

In der industriellen Fertigung hat sich die Anzahl der eingesetzten Technologien deutlich erhöht. Angesichts des knappen Platzes in der Fertigung nehmen die Anzahl der Geräte, die in einem einzigen Schaltschrank untergebracht werden müssen, sowie die Rechenleistung rapide zu. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, setzen viele Entwickler immer leistungsfähigere SoCs (Systems on Chip) und programmierbare Logikbausteine in ihren Designs ein. Dies hat zur Folge, dass auch die Anzahl der benötigten Versorgungsschienen zunimmt. Konventionelle Versorgungsschienen mit Spannungen wie 1,8 V, 3,3 V und 5 V können von zwischengeschalteten Buskonvertern versorgt werden, die aus einer 12-V-Backplane versorgt werden. Immer häufiger werden jedoch auch 24-V-Schienen benötigt. Somit müssen Entwicklungsingenieure die zunehmende Komplexität des Designs sowie mehrere unterschiedliche Versorgungsspannungen und Stromverarbeitungsfähigkeiten berücksichtigen.

Höhere Ausgangsspannungen durch DC/DC-Wandler mit zwei Ausgängen

DC/DC-Wandler sind gängige Elemente für die Bereitstellung von Versorgungsspannungen im niedrigen bis mittleren Leistungsbereich, sei es für Intermediate-Bus-Architekturen oder für Point-of-Load. Geregelte Versionen mit einem oder zwei Ausgängen sind am weitesten verbreitet, wobei die meisten auch über eine Isolierung verfügen, die für die Einhaltung verschiedener Sicherheitsstandards unerlässlich ist. Bei der Planung der Stromversorgungsarchitektur eines neuen Designs sind sie sicherlich die erste Wahl für Entwickler. Manchmal ist jedoch eine höhere Ausgangsspannung erforderlich, damit eine bestimmte Funktion integriert werden kann. Wenn der Leistungsbedarf nicht übermäßig hoch ist, liegt es nahe, einen weiteren DC/DC-Wandler einzusetzen, der die erforderliche Spannung liefert, z.B. 24V. Dies kann jedoch einige Herausforderungen mit sich bringen, die es zu berücksichtigen gilt. Erstens könnte es dadurch notwendig werden, ein zusätzliches Bauelement in die Stückliste aufzunehmen, das beschafft und verwaltet werden muss. Außerdem könnte in diesem Beispiel ein DC/DC-Wandler mit einem Ausgang von 24V eine größere Leiterplattenfläche belegen. Ein weiterer Aspekt könnte, abhängig von der Ausführung des Wandlers, die Auswirkung auf die MTBF (Mean Time Before Failure) des gesamten Geräts sein. Ein DC/DC-Wandler mit höherer Spannung und einem Ausgang könnte auch geringe zusätzliche Kosten verursachen.

Eine praktikable Lösung für dieses Problem ist die Verwendung eines DC/DC-Wandlers mit zwei Ausgängen, wobei ein einzelner Ausgang mit höherer Spannung bereitgestellt wird. Betrachten Sie zum Beispiel den in Abbildung 1 dargestellten DC/DC-Wandler mit zwei Ausgängen. Er liefert einen gefilterten, geregelten und isolierten +/-12-V-Ausgang. Intern verwendet der Wandler zwei separate, aber identische Sekundärwicklungen, die in einer Reihenkonfiguration miteinander verbunden sind, um eine gemeinsame 0-V-Mittelspannungsschiene zu schaffen. Dies ist eine gängige Methode, um einen +12-V- und einen -12-V-Ausgang für eine Anwendung bereitzustellen.

Abbildung 1: Das Diagramm zeigt einen DC/DC-Wandler mit zwei Ausgängen, der einen +/-12-V-Ausgang mit einer gemeinsamen Masse liefert. (Quelle: TDK Lambda)

Durch Abgreifen des Ausgangs über die kombinierte Sekundärwicklung - ohne Verwendung des 0-V-Anschlusses in der Mitte - können Entwickler jedoch eine 24-V-Versorgung realisieren (Abbildung 2). Am Wandler hat sich nichts geändert; es handelt sich immer noch um einen +/-12-V-Wandler mit zwei Ausgängen, aber er liefert eine einzelne +24-V-Versorgung aus demselben Bauteil. Da der Ausgang tatsächlich in einer kombinierten Reihenkonfiguration angeordnet ist, ist der verfügbare +24V-Ausgangsstrom derselbe wie der Nennwert für einen separaten Ausgang. Ebenso könnte ein Entwickler einen +/-15-V-Wandler verwenden, um einen einzelnen 30-V-Ausgang bereitzustellen.

Vor der Verwendung eines dualen DC/DC-Wandlers zur Bereitstellung eines einzelnen Ausgangs sollte das Datenblatt des Herstellers sorgfältig daraufhin überprüft werden, ob er auf diese Weise verwendet werden kann.

Abbildung 2: Das Diagramm zeigt denselben Wandler aus Abbildung 1, der hier jedoch so konfiguriert ist, dass er einen einzelnen 24-V-Ausgang liefert. (Quelle: TDK Lambda)

Die CCG-Serie von TDK Lambda

Die CCG Serie von TDK Lambda – siehe Abbildung 3 – umfasst Beispiele solcher Wandler, wobei der CCG30-24-12D ein typischer DC/DC-Wandler für die oben gezeigte Konfiguration ist. Diese Serie isolierter DC/DC-Wandler mit 15 W bis 30 W und hohem Wirkungsgrad (bis zu 92 %) entspricht mit 25,4 mm x 25,4 mm dem Industriestandard und eignet sich für den extrem weiten 4:1-Eingangsspannungsbereich von 9 V bis 36 V oder 18 V bis 76 V. Darüber hinaus sind die Wandler an allen sechs Seiten geschirmt, was zu einer Reduzierung der Störstrahlung beiträgt und die Einhaltung der EMV-Vorschriften (Elektromagnetische Verträglichkeit) gewährleistet.

Abbildung 3: Mit den DC/DC-Wandlern der CCG-Serie von TDK Lambda können Entwickler Produkte konzipieren, die höhere Versorgungsspannungen unterstützen. (Quelle: TDK Lambda)

Die CCG-Serie verfügt über eine fünfjährige Garantie, kann im Temperaturbereich von -40 °C bis 85 °C eingesetzt werden und eignet sich für Industrie-, Kommunikations- sowie Test- und Messanwendungen.

Eine praktikable Lösung für die Bereitstellung höherer Ausgangsspannungen

Die Integration eines DC/DC-Wandlers mit zwei Ausgängen, der möglicherweise bereits in der Stückliste des Projekts enthalten ist, bietet eine höhere Versorgungsspannung, ermöglicht eine Vereinfachung des Stromversorgungsdesigns und kann dadurch zu einer Reduzierung der gesamten Stücklistenkosten führen.