Das AC/DC-, DC/DC- und EMC-Book of Knowledge

Kapitel 1: Spannungsregler
Moderne AC/DC- und DC/DC-Wandler sind so ausgerichtet, dass sie eine effiziente Spannungsumsetzung gewährleisten und eine geregelte, sichere und konstante Gleichstromspeisung für verschiedene elektronische Instrumente, Geräte und Systeme bereitstellen. Vor nicht allzu langer Zeit waren Transformatoren, Gleichrichter und lineare Spannungsregler die Haupttechnologie in der Spannungsumsetzung; aber so wie LEDs langsam die Glühbirne ersetzen, verdrängt auch der DC/DC-Wandler allmählich den Linearspannungsregler, und primärgetaktete Netzteile ersetzen den einfachen 50-Hz-Netztransformator.

Kapitel 2: Feedbackschleifen
Einige der wichtigsten Entwicklungtskriterien in der Konstruktion von DC/DC-Wandlern sind Berechnungen und Methodiken, die zur Auslegung der Rückkopplungsschleifen der Regelung eingesetzt werden. Werden Schleifenparameter nicht korrekt berechnet, kann der Wandler Instabilität und Regelungsfehler aufweisen. Die Funktion einer Rückkopplungsschleife in einem DC/DC-Wandler besteht darin, den Ausgang bei einer fixen Größe, die nur vom Referenzwert abhängt, zu halten, d.h. sie ist unabhängig von Last-, Eingangsspannungs- oder Umweltabweichungen.

Kapitel 3: Datenblatt Parameter richtig verstehen
Jeder seriöse Hersteller liefert mit seinem Produkt ein technisches Datenblatt, das wenigstens wesentliche Performanceparameter, Abmessungen und die Pinbelegung detailiert aufzeigt. Jedoch ist für den Vergleich zweier verschiedener DC/DC-Wandler anhand der Datenblatt-Informationen häufig mehr Interpretation gefragt, als ein einfacher Vergleich von Zahlenwerten.

Kapitel 4: DC/DC-Wandler-Schutzmaßnahmen
Wie im Vorwort erwähnt, besteht eine der Funktionen des DC/DC-Wandlers darin, die Anwendungen zu schützen. Im einfachsten Fall erfolgt dieser Schutz durch eine Anpassung der Last an die primäre Stromquelle und einer Stabilisierung der Ausgangsspannung gegen Eingangsüber- und Unterspannung. der DC/DC-Wandler ist aber auch ein wesentliches Element, das den Kurzschlussschutz des Systems gewährleistet. Die Begrenzung einer Ausgangsüberlastung und Kurzschlussschutz beispielsweise schützen nicht nur den Wandler.

Kapitel 5: Befilterung von Wandlereingang und -ausgang
Alle DC/DC-Wandler haben eine Restwelligkeit in der Ausgangsspannung infolge des Auf- und Entladens des Ausgangskondensators mit jedem Taktimpuls des internen Oszillators. Diese Ausgangswelligkeit hat je nach Topologie eine Frequenz, die entweder dieselbe oder doppelte Wandlerschaltfrequenz ist und in der Regel im 100-bis 200-kHz-Bereich liegt. Der Welligkeit überlagert sind Schaltspannungsspitzen mit einer viel höheren Frequenz, üblicherweise im MHz-Bereich.

Kapitel 6: Sicherheit
Die Hauptziele verschiedener Sicherheitsstandards und -Vorschriften bestehen darin Sach- oder Personenschaden zu vermeiden, indem man Schutzgrade gegen folgende potentielle Gefahren definiert: Elektrischer Stromschlag, gefährliche Energie, Brand und Rauchentwicklung, Körperverletzung, Gefährdung durch Strahlung und Chemikalien.

Kapitel 7: Betriebszuverlässigkeit
Fast seit Beginn der Nutzung der Elektrotechnik ist es für den Anwender notwendig, zu wissen, wie lange die Geräte ordnungsgemäß arbeiten werden. Da niemand die Zukunft vorhersagen kann, wurden statistische Verfahren entwickelt, um die Betriebszuverlässigkeit von Bauteilen, Komponenten, Baueinheiten oder Geräten vorauszusagen.

Kapitel 8: LED Charakteristiken
Im Krieg lautet die erste Soldatenpflicht "Du musst wissen, wer Dein Feind ist". Dasselbe Prinzip gilt für die Festkörperbeleuchtung (SSL = Solid State Lighting) - wenn man nicht versteht, wie sich die LED (Leuchtdiode) verhält, darf man sich nicht wundern, wenn die Anwendung nicht gelingt.

Kapitel 9: DC/DC-Anwendungsideen
Viele Anwendungen erfordern eine DC/DC-Spannungswandlung. So viele, dass nach Einschätzungen der Weltmarkt bis zum Jahre 2020 die 35-Milliarden-Dollar-Marke überschritten haben wird. Für viele Anwendungs-Entwickler ist aber der DC/DC-Wandler eine "Blackbox", eine Komponente zur Erfüllung einer Funktion.

Kapitel 10: Magnetische Felder
Das 10. Kapitel deckt die Grundlagen von Trafomagnetismus inklusive Fachausdrücke, Kernsättigung, Induktivitäten mit Luftspalt, Kerngeometrien, Kernverluste, Skin Effekt und Proximity Effekt ab. In Anwendungsbeispielen von buck & boost- DC/DC Wandler-Designs wird gezeigt, wie magnetische Komponenten korrekt dimensioniert und Verluste im Magnetischen Kern und in Schaltelementen berechnet werden.

Kapitel 11: 3DPP
Das neue Kapitel zu 3DPP^® erläutert die verschiedenen Methoden und Techniken, die zu diesem Paradigmenwechsel geführt haben. Neuartige Packungstechniken haben die Leistungsdichte mehr als verdoppelt, sodass jetzt ein kompletter 15W-Wandler mit nur 3x3x1,5mm Größe möglich ist.

Kapitel 1: Eine historische Einführung
Haben Sie sich schon mal gefragt, warum wir 115V AC oder 230V AC Netzspannung haben und warum 50Hz oder 60Hz? Wer hat diese Werte eigentlich festgelegt? Dieses Kapitel erzählt die Geschichte der Entwicklung des Wechselstroms.

Kapitel 2: Lineare AC/DC-Netzteile
Gibt es in der modernen Welt noch Platz für lineare AC/DC-Netzteile oder sind Schaltnetzteile die einzige Antwort?

Kapitel 3: Scheinleistung, Blindleistung und Wirkleistung
Nehmen wir die Analogie eines Bierkrugs: Wirkleistung ist das flüssige Bier, Blindleistung ist die Schaumkrone und Scheinleistung ist das volle Glas. Dieses Kapitel erklärt die mathematischen Beziehungen zwischen „nutzbarer Elektrizität” und „vergeudeter Elektrizität”.

Kapitel 4: Wechselspannungstheorie
Dieses Kapitel zur Wechselspannungstheorie umfasst Impedanzdiagramme, komplexe Koeffizienten und die Wichtigkeit der imaginären Quadratwurzel aus minus eins. Welche Verbindung gibt es zwischen polarisiertem Licht und Maxwells Feldgleichungen?

Kapitel 5: Passive Bauelemente
Die Lebensarbeitsdauer eines Netzteils wird häufig durch die Wahl der Kondensatoren begrenzt. Wann ist ein 100µF-Kondensator kein 100µF-Kondensator? Dieses Kapitel erklärt die Stressfaktoren und wie ein AC/DC-Wandler mit über 20 Jahren Lebensdauer konstruiert wird.

Kapitel 6: Aktive Bauelemente
MosFET, IGBT, SiC oder GaN? Dieses Kapitel behandelt die Grundlagen des Verhaltens von Leistungsschalttransistoren und wie eine Konstruktion für hohe Zuverlässigkeit erfolgt.

Kapitel 7: Blindleistungskompensation
Blindleistungskompensation ist häufig eine gesetzliche Anforderung an AC/DC-Wandler. Welche Techniken gibt es dafür und welche Vor- und Nachteile haben sie jeweils?

Kapitel 8: Topologien für AC/DC-Wandler
Dieses Kapitel gibt einen umfassenden Überblick zu den Topologien für AC-Netzteile: massebezogen (Single-ended), quasi-resonant, Two-Transistor, phasenversetzt, parallel, Halbbrückenschaltung und Vollbrückenschaltung, einphasig und dreiphasig. Was Sie hier nicht finden, brauchen Sie vermutlich nicht!

Kapitel 9: Transformatorlose AC-Netzteile
Nicht alle AC/DC-Netzteile brauchen einen Transformator. Was hat IoT mit nicht isolierten AC/DC-Wandlern zu tun?

Kapitel 10: Drahtlose Stromversorgung
Strom ohne Kabel war seit der Zeit von Tesla eine Ambition. Mit dem Aufkommen von Qi und anderen Standards entwickelt sich die drahtlose Stromversorgung jetzt von elektrischen Zahnbürsten weiter und wird eine sehr nützliche Technik zur Stromübertragung.

Kapitel 11: Rückkopplung
Rückkopplung ist die Essenz jedes stabilen Systems. Wie lässt sich ein Netzteil konstruieren, das schnell auf plötzliche Änderungen der Last oder der Eingangsspannung reagiert, aber bei konstanter Last reibungslos arbeitet? Warum ist der Optokoppler das schwache Glied in der Kette und welche Alternativen dazu gibt es?

Kapitel 12: Techniken für geringe Standby-Leistungsaufnahme
Mikroprozessoren haben eine Leistungsaufnahme, die zwischen voller Geschwindigkeit und tiefem Ruhezustand um den Faktor 100 Millionen variiert. Wie lässt sich ein Netzteil so konstruieren, dass es bei Bedarf volle Leistung liefert, aber so wenig wie möglich verbraucht, wenn die Last nahezu null ist?

Kapitel 13: Wechselspannung messen
„Wer misst, misst Mist!“ Das Messen von Wechselspannung ist nicht so einfach wie bei Gleichspannung. Dieses Kapitel skizziert die verschiedenen Messtechniken für Wechselspannung und erläutert, warum das Multimeter möglicherweise nicht die ganze Wahrheit anzeigt.

Kapitel 1: EMC-Grundlagen
Dieses einführende Kapitel behandelt neben elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern ebenso die zu Grunde liegenden Maxwellgleichungen und Themen wie Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit vom Materialen.

Kapitel 2: Analyse
Aufbauend auf Kapitel 1 werden in diesem Kapitel die Modelle für komplexe Schaltungen und Skineffekte erläutert, die je nach Wellenlänge zur Analyse des Schaltungsverhaltens herangezogen werden können.

Kapitel 3: Übertragungsleitungen
Bei höheren Frequenzen bewegen sich EM-Wellen entlang von Leitern. Die Ausbreitung der EM-Wellen werden durch Effekte wie Resonanzen, Reflexionen und Stehwelleneffekten beeinflusst. Diese Phänomene können zu einer erheblichen Verschlechterung der Signalintegrität führen und übermäßige abgestrahlte Emissionen erzeugen, so dass eine Impedanzanpassung erforderlich sein kann. Gleichermaßen ist eine korrekte Anpassung für PCB-Antennen erforderlich, um eine optimale Leistung zu erzielen.

Kapitel 4: EM-Kopplung
Dieses Kapitel befasst sich mit dem Unterschied zwischen Nah- und Fernfeldern sowie damit, wie diese Felder von einer Störquelle auf umliegende Geräte und Schaltungen übergehen können. Ebenso werden verschiedene Maßnahmen zur Reduzierung der Störungen aufgrund galvanischer, kapazitiver und induktiver Kopplungsmechanismen dargestellt.

Kapitel 5: Techniken zur Rauschunterdrückung
Wenn man weiß, welche Art von Störung (differenziell oder Gleichtakt) vorliegt, kann man den Aufbau und den Typ des Filters bestimmen, der am effektivsten wirkt.

Kapitel 6: PCB Layout Impedanz
PCB-Tracks und Durchkontaktierungen haben einen inhärenten DC-Widerstand und eine AC-Impedanz, die den Stromfluss in der Schaltung beeinflussen. In diesem Kapitel erfahren Sie, wie Sie diese Werte berechnen, um die erforderliche Impedanz in Bezug auf die Signalfrequenz zu erreichen, und erhalten eine Einführung in die Konzepte der Fourier-Transformation und der Oberwellenspektren.

Kapitel 7: Filter
Filter können nach Typ, Topologie, Güte und Funktionsweise kategorisiert werden. Daher ist es für ein gutes Design entscheidend zu wissen, welche Art von Filter Störungen reduzieren kann. Dieses Kapitel behandelt auch den Frequenz- und Phasengang von Filtern (Bode-Diagramme) und EMI-Gegenmaßnahmen mit Filtern. In diesem Kapitel wird auch das vorherige Kapitel erweitert, um ungewollte Antennen und schlechte Filterwirkung aufgrund eines schlechten PCB-Layouts zu vermeiden.

Kapitel 8: EMC-Normen
Es gibt viele technische Normen, welche elektronische Schaltungen erfüllen müssen, um den EMV-Vorschriften zu entsprechen, und die schiere Anzahl dieser Normen kann entmutigend sein. Dieses Kapitel zeigt die wichtigsten Basisstandards, generischen Standards sowie einige Produktstandards. Dabei gibt jeder Standard vor- je nach erforderlicher Klasse und Stufe - was abgedeckt wird und wie und in welcher Form zu prüfen ist. Es ist wichtig, im Voraus zu wissen, welchen Standard eine Anwendung erfüllen muss, da die Einhaltung der Standards physische Änderungen an der Leiterplatte, Änderungen am Design oder an der Materialliste bedeuten kann.

Kapitel 9: PFC
Die Leistungsfaktorkorrektur ist eine wesentliche Voraussetzung für viele Stromversorgungen und LED-Treiber. Dieses Kapitel behandelt die grundlegenden Begriffe (Schein-, Blind- und Wirkleistung sowie Leistungsfaktor) und die Lösungen, die für die Leistungsfaktorkorrektur und die Begrenzung des Klirrfaktors verwendet werden können.

Kapitel 10: EMC-Messung
Dieses Kapitel befasst sich mit der Ausrüstung, einschließlich der Antennen, Kammern, EM-Empfänger und LISNs, die man benötigt, um Produkte zu testen, zu messen und zu prüfen, ob sie die geforderte EMV-Norm erfüllen.

An Introduction to the Fundamentals
The RECOM DC/DC Book of Knowledge course is the second course in this series, developed directly from the book.

The course provides a glimpse into fundamental concepts related to DC/DC power supply design, more detailed concepts can be found in the DC/DC Book of Knowledge. The course will cover key teachings such as SWaP factors, power regulators, feedback loops, DC/DC converter protection and how to interpret datasheet parameters.

An Introduction to the Fundamentals
The RECOM AC/DC book of knowledge is an extensive collection of experience and learnings necessary to implement successful AC/DC power supply designs. It is the culmination of many years of experience and numerous power supply designs from RECOM's technical guru and innovation manager, Steve Roberts.

This eLearning course is a quick overview of the book's content that you can complete in a matter of hours—as opposed to the many days (perhaps even weeks) necessary to comprehensively cover the book—so please consider this a preview of core concepts and teachings in the world of AC/DC power supply design.