DC/DC-Wandler: galvanisch getrennt vs. nicht getrennt

In Sachen DC/DC-Wandler mit ATX-Ausgängen teilt sich die technische Welt in zwei Lager. Die Kernfrage lautet: galvanisch getrennt oder galvanisch nicht getrennt? Der Artikel erörtert beide Topologien.

Dieser Beitrag beschreibt eine herstellerneutrale Vergleichsmessung von isolierten und nicht isolierten DC/DC-Wandlern anhand einer messtechnischen Analyse. Alle wiedergegebenen Grafiken sind reale Messprotokolle.

Der grundlegende Unterschied zwischen einem galvanisch getrennten DC/DC-ATX-Wandler und einem galvanisch nicht getrennten Wandler besteht, vereinfacht ausgedrückt, darin, dass der galvanisch getrennte Wandler in seinem Aufbau einem Schaltnetzteil entspricht und somit entsprechende Isolation bietet. Dies ist mit einem Übertrager realisiert, welcher auf der Eingangsseite mittels Pulsweitenmodulation angesteuert wird und einem Optokoppler, der die Ausgänge abfragt und die Ausgangsspannungen konstant hält. Abgesehen von der fehlenden PFC-Stufe (Power Faktor Korrektur), dem fehlenden Gleichrichter sowie der i.d.R. geringeren Eingangsspannung ist der Wandler damit größtenteils identisch zu einem AC/DC-ATX-Netzteil bekannter Bauart.

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Der Aufbau eines typischen nicht isolierten DC/DC-ATX-Wandlers ist deutlich einfacher. Die Eingangsspannung wird mittels eines Abwärtswandlers auf 3,3 V und 5 V umgesetzt. Je nach Aufbau wird die –12-V-Spannung durch einen Buck-Boost-Wandler erzeugt. Die +12-V-Spannung wird der Eingangsspannung direkt entnommen und mittels FET ohne weiteren Schutz auf den Ausgang geschaltet. Dies ist der Grund, warum die Eingangsspannungstoleranz eines nicht isolierten Wandlers mit 11,5 bis 13 VDC im Vergleich zu einem isolierten Wandler mit 9 bis 32 VDC sehr eng begrenzt ist. Dieses Design erlaubt aber eine kleinere Bauform sowie bedingt durch die Topologie und fehlende Wandlung der +12-V-Spannung einen höheren Wirkungsgrad als dies bei einem galvanisch getrennten Wandler der Fall ist.

Wo für die Anwendung relevante Unterschiede liegen

Baugröße und Anschlüsse: Durch die unterschiedliche Topologie sind bei nicht isolierten Versionen, zumindest für die Standardfunktionen, deutlich weniger und kleinere Bauteile notwendig als bei galvanisch getrennten Versionen. So ist beispielsweise allein der Übertrager der galvanisch getrennten Version in unserem Beispiel etwa zehnmal größer als eine Drossel eines galvanisch nicht getrennten Wandlers und entspricht damit fast der gesamten Baugröße des galvanisch nicht getrennten Wandlers. Somit ist die galvanisch getrennte Version mit 128 mm x 81 mm x 40 mm deutlich größer als ein galvanisch nicht getrennter Wandler mit etwa 35 mm x 45 mm x 25 mm. Jedoch sind die Anschlüsse bei der galvanisch getrennten Version deutlich flexibler, weil der Eingangs- und Ausgangskabelsatz nach Kundenwunsch gestaltet werden kann. Der galvanisch nicht getrennte Wandler lässt sich dagegen nicht modifizieren.

Leistung, Wirkungsgrad und MTBF: Beide Wandlerkonzepte erlauben Ausgangsleistungen von etwa 70 bis 100 W. Die verschiedenen Topologien sind auch bei der Berechnung des Wirkungsgrades zu berücksichtigen (die isolierte Version trennt auch die 12-V-Spannung und hält sie konstant; die nicht isolierten Varianten schalten die 12 V direkt zum Ausgang durch). So ergeben sich zwei unterschiedliche Vergleiche des Wirkungsgrades, jeweils mit und ohne Einbeziehung der 12-V-Spannung. In beiden Messungen zeigen die nicht getrennten Wandler den höheren Wirkungsgrad. Ursachen hierfür sind u.a. die fehlende Wandlung der +12-V-Spannung und die vereinfachte Schaltungsstruktur.

Ein ganz anderes Bild ergibt sich, wenn die Anwendung an einem 24-V-Industrienetz betrieben werden soll. Die galvanisch getrennte Version kann direkt an 24 V angeschlossen werden. Im Gegensatz dazu ist es bei der galvanisch nicht getrennten Version notwendig, entweder einen DC/DC-Wandler von 24 V auf 12 V vorzuschalten oder auf einen nicht isolierten Wandler mit 24-V-Eingang zurück zu greifen, welcher die 12-V-Spannung auch mit wandelt.

Diese Art von nicht getrennten Wandlern ist jedoch im Aufbau deutlich größer und teurer. Durch den hohen Unterschied zwischen Ein- und Ausgangsspannung sinkt dabei auch der Wirkungsgrad eines nicht getrennten Wandlers. Die Vorteile gegenüber der galvanisch getrennten Version werden somit bei dieser Betriebsweise wieder aufgewogen. In Sachen MTBF erreicht der isolierte Wandler mit 130.000 Stunden bei 50 °C eine deutlich höhere Zuverlässigkeit als der nicht isolierte Wandler mit 50.000 Stunden.

Timing Ausgangsspannungen und Signale

Die Anforderungen an die ATX-Spannungen sind u.a. in dem „ATX power supply design guide“ festgelegt. Ein besonderes Augenmerk ist hierbei auf das Timing während des Startvorgangs, aber auch im Fehlerfalle zu legen. Die in diesem Zusammenhang wichtigsten Zeiten sind in der Tabelle 1 dargestellt.

Im Oszilloskopbild (siehe Bildergalerie) stellt sich der zeitliche Ablauf vom Hochlaufen der Spannungen über den normalen Betrieb bis hin zum Fehlerfall (Wegfall der Versorgungsspannung einschließlich der entsprechenden Signale) wie folgt dar: Die Zeiten 1 bis 3 sind für den Start des Rechners wichtig, während T5 und T6 zur potenziellen Sicherung der Daten bei Verlust der Spannungsversorgung dienen.

Die Hold-Up-Zeit T5, also die Zeitdifferenz zwischen dem Einbruch der Versorgungsspannung und dem Einbruch der Ausgangsspannungen, ist ein Maß für die weitere Betriebsfähigkeit bei Ausfall einer Sinusschwingung (60 Hz). Hierbei ist zu beachten, dass ein DC/DC-Wandler konstruktionsbedingt nicht die für AC/DC-ATX-Netzteile geforderte hohe Hold-Up-Zeit T5 aufweisen muss. Dies kann typischerweise entweder durch das vorgeschaltete AC/DC-Netzteil oder durch eine DC-Pufferung etwa mittels Elektrolytkondensator ausgeglichen werden.

Deutlich wichtiger als die Hold-Up-Zeit ist jedoch die Vorwarnzeit T6 bei Ausfall der Eingangsspannung durch das PF-Signal. Diese Information erlaubt es dem System, noch relevante Daten über den Betriebszustand und anderes mehr zu sichern.

Das so genannte PG/PF-Signal liefert somit zwei wichtige Informationen: Im Zeitbereich T3 und später, also während des Startens und im Betrieb, signalisiert das Netzteil dem Rechner die regelgerechte Verfügbarkeit der Ausgangsspannungen. Der Rechner fährt mit der Bearbeitung des Start-Up fort. Im Falle eines Fehlers dagegen springt das Signal auf Low und signalisiert den in Kürze anstehenden Wegfall der Versorgungsspannungen. Bei der nicht isolierten Version fällt die Ausgangsspannung ab, bevor das PF-Signal dies signalisiert und ermöglicht somit kein Sichern der Daten.

Hierfür sind zwei Gründe maßgeblich. Der galvanisch getrennte Wandler besitzt einen überlappenden Arbeitsbereich von Eingangs- zu Ausgangsspannung (hier 9 bis 32 VDC). Galvanisch nicht getrennte Wandler dieses Typs dagegen verlangen eine stabilisierte 12-V-Versorgung (11,5 bis 13 V), da diese direkt auf den 12-V-Ausgang geleitet wird. Des Weiteren wird im isolierten Wandler deutlich mehr Energie im Zwischen- und Ausgangskreis kapazitiv und induktiv gespeichert. So ist genügend Zeit vorhanden, um das PF-Signal frühzeitig zu setzen.

Elektromagnetische Verträglichkeit

Rechner in unterschiedlichen Anwendungen (etwa Heim- und Bürogebrauch, Industrie, medizinische Ausrüstung) nutzen typischerweise Boards im Mini-ITX-Format (20 bis 70 W). Dementsprechend gibt es auch für den Einbau der Wandler und Boards in Gehäusen aus Kunststoff oder Metall mit und ohne Schutzerde unterschiedlichste Randbedingungen.

Wird die DC-Eingangsspannung von einem Tischnetzteil eingespeist, ist beispielsweise davon auszugehen, dass zur Entstörung keine Schutzerde am Rechner zur Verfügung steht. Umso wichtiger ist es in diesem Fall, dass der Wandler nur geringe Emissionen aussendet. Obgleich es NICHT immer vorgeschrieben ist, die leitungsgeführte Störspannung auf der DC-Zuleitung zu messen, sollte man dennoch darauf achten, dass diese so gering wie möglich ausfällt. Die Oberwellen dieser Frequenzen werden später bei der verpflichtenden Messung der Abstrahlung wieder auftreten.

Die in diesem Artikel gezeigten Vergleichsmessungen wurden beim Betrieb der Wandler mit Lastwiderständen und ohne schirmendes Gehäuse erstellt. Sie sind somit als Worst-Case-Ergebnisse zu betrachten. Messung der Störspannung eines nicht isolierten Wandlers an einer DC-Netznachbildung bei einer Betriebsspannung 12 V, mit deutlicher Überschreitung des Limits im Vergleich zur Messung eines isolierten Wandlers, zeigen die Auswerteprotokolle in Bild 6 und Bild 7.

Wie bereits erwähnt, ist die Messung der leitungsgeführten Störspannung (f<30 MHz) auf DC-Zuleitungen in den meisten Fällen nicht verpflichtend. Die zum Teil aufgrund der Emissionen auf der Zuleitung auftretenden Oberwellen im abgestrahlten Spektrum (f>30MHz) sind jedoch beim galvanisch nicht getrennten Wandler deutlich höher.

Während galvanisch getrennte Wandler in Bezug auf die EMV bereits optimiert sind, muss das Verhalten bei galvanisch nicht getrennten Wandlern also im Einzelfall betrachtet und gegebenenfalls mit zusätzlichen Maßnahmen, zum Beispiel Filter, Y-Kondensatoren (bei PE) etc, korrigiert werden.

Betrachtungen zum Schutz vor Überspannung und Überstrom

Im Betrieb mit einem Tischnetzteil kann man davon ausgehen, dass die Betriebsspannung stabil eingehalten wird und keine Spikes, Surges oder Bursts zu erwarten sind. Anders sieht es aus, wenn die Versorgungsspannung zusätzlich Motoren, Relais oder ähnliches treibt. Hier sind unsaubere Spannungsverläufe mit Einbrüchen oder Spitzen zu berücksichtigen.

Im Test wurden Wandler mit beiden unterschiedlichen Topologien (galvanisch getrennt und galvanisch nicht getrennt) mit einem eingangsseitigen Peak von nur 16 bis 18 VDC belegt. Die Ergebnisse waren gänzlich verschieden. Während der galvanisch isolierte Wandler die Spitze blockt und normal weiter arbeitet, leitet der nicht isolierte Wandler die Spannungsspitze direkt auf die 12-V-Spannung durch und schaltet zusätzlich danach ab. Bei einer Spitze von 24 V kam es sogar zur Zerstörung des nicht isolierten Wandlers. Der isolierte Wandler ist konstruktionsbedingt hier deutlich überlegen und ist mit Surge und Burst bis zu 2000 VDC getestet. Dadurch ist ein deutlich erhöhter Schutz der Applikation bei widrigen Versorgungssituationen gegeben.

Um im Überlastfall oder bei Kurzschluss Schäden an der Applikation oder am Wandler zu vermeiden, werden in den Designs Überstrombegrenzungen eingebaut. Diese sollen im Fehlerfall sowohl den Wandler als auch die Applikation vor Beschädigung oder gar Zerstörung schützen.

Je nach Hersteller bzw. Typ des nicht isolierten Wandlers hat dies im Test zur Zerstörung des Wandlers geführt. Zulässig laut Datenblatt war ein Peak-Strom von maximal 7 A mit Abschaltung bei 150%, also bei etwa 10 A. Das reale Verhalten zeigt die entsprechende Messkurve in Bild 12, die mit Zerstörung des Wandlers ohne vorheriges Abschalten endet.

Netzteile

Tipps zur richtigen Messung von Kenngrößen am Schaltnetzteil

* Dipl.-Ing. Heidrun Seelen ist Vertriebsleiterin bei Magic Power und MBA Frank Cubasch ist Geschäftsführer bei Magic Power Technology, Neudahn.

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