Hallo liebes Microcontroller.net Team,
im Rahmen einer kleinen Hausarbeit (Weiterbildung zum Techniker) haben
wir, eine Gruppe aus Elektro- und Maschinenbauschülern folgende
Fragestellungen, die es zu beantworten gilt.
Thema:
Einer der Megatrends in der Automobiltechnik sind 48V Teilboardnetze. Um
den neuen Leistungsanforderungen gerecht zu werden, müssen
mechatronische Steuer- und Leistungskomponenten entsprechend ausgelegt
werden.
Fragen:
Was sind die Unterschiede zwischen 12V und 48V PCB?
Was sind die Kostentreiber für Platinen?
Wie generieren Sie eine Kostenschätzung für eine PCB von 1000W
elektrisch betriebene 48V (Wasser)pumpe , falls Sie nur Kostendaten
einer 400W elektrisch betriebene 12V (Wasser)pumpe ?
Welche verfügbaren Kostenschätzmethoden (speziell bei PCB 12V und 48V)
sind sensibele zu benutzen?
Über jede Antwort bin ich sehr dankbar.
Viele Grüße
@ PCBA_Neewby (Gast)
>Was sind die Unterschiede zwischen 12V und 48V PCB?
Bei gleicher Leistung braucht man bei 12V den vierfachen
Leiterquerschnitt.
>Was sind die Kostentreiber für Platinen?
Fläche und Komplexität (kleine Strukturen und viele Lagen)
**Was sind die Unterschiede zwischen 12V und 48V PCB?**
Bei gleicher Leistung braucht man bei 12V den vierfachen
Leiterquerschnitt.
@Falk:
Danke für die Antworten.
-> Der Leitungsquerschnitt ist das eine. Der wesentliche Unterschied ist
mir aber nicht klar? Werden generell neue Bauteile verwendet? D.h. alles
Bauteile unterliegen einer Neuentwicklung?
-> Sind Mehrlagige Platinen unterliegen einem höheren ESD-Schutz?
-> Wie ist Problemmatik bzgl. ESD bei Aufbau, Montage oder im Betrieb?
**Was sind die Kostentreiber für Platinen?**
Fläche und Komplexität (kleine Strukturen und viele Lagen)
-> Komplexität? Warum? Weil 2 unterschiedliche Spannungen auf einer
(Mehrlagigen) Platine zum Einsatz kommen?
-> Sind EMV Tests aufwendiger? -> Bauteile daher teurer?
-> Mehrere Bauteile auf einer PCB, bedingt durch EMV-Störanfälligkeit?
**Welche verfügbaren Kostenschätzmethoden (speziell bei PCB 12V und 48V)
sind sensibele zu benutzen?**
-> Gibt es einen (Preis)Faktor zwischen 12V und 48V Bauteilen?
-> Statt bei einer 12V, die z.B. 3-Lagig ausgeführt ist, muss bei 48V
6-Fach ausgeführt werden?
Danke und Gruß
Es dürfen nur für automotiv zertifizierte Bauelemente verwendet werden.
Etliche elektronische Bauelemente, wie z.B. Spannungsregler, sind nur
für <37V verwendbar.
Es ist zu beachten das die max. Spannung höher als die Normspannung von
48V ist.
@ PCBA_Neewby (Gast)
>-> Der Leitungsquerschnitt ist das eine. Der wesentliche Unterschied ist>mir aber nicht klar? Werden generell neue Bauteile verwendet?
Wahrscheinlich schon.
> D.h. alles Bauteile unterliegen einer Neuentwicklung?
Alles was direkt an den 48V dranhängt. Motoren, Leistungsschalter,
Stromversorgung. Alles war hinter dem Spannungsregler liegt, kann
bleiben (Steuerungen, Prozessoren, etc.)
>-> Sind Mehrlagige Platinen unterliegen einem höheren ESD-Schutz?
??
>-> Wie ist Problemmatik bzgl. ESD bei Aufbau, Montage oder im Betrieb?
Ist bei 48V nicht anders als bei 12V
>-> Komplexität? Warum?
Weil eine 4Lagen Platine mit dünnen Leiterbahnen mehr kostet als eine 2
Lagen Platine mit breiteren leiterbahnen.
> Weil 2 unterschiedliche Spannungen auf einer>(Mehrlagigen) Platine zum Einsatz kommen?
Nein. Entscheidend sind die minimalen Strukturbreiten und Lagenanzahl,
ggf. noch solche Spielchen wie Blind Vias, Microvias etc.
>-> Sind EMV Tests aufwendiger? -> Bauteile daher teurer?
Nein.
>-> Mehrere Bauteile auf einer PCB, bedingt durch EMV-Störanfälligkeit?
Nein.
>-> Gibt es einen (Preis)Faktor zwischen 12V und 48V Bauteilen?
Keine Ahnung, kann sein, aber im Massenmarkt sind die Unterschiede
gering.
>-> Statt bei einer 12V, die z.B. 3-Lagig ausgeführt ist, muss bei 48V>6-Fach ausgeführt werden?
Nein.
> PCBA_Neewby schrieb:> @Falk:> Danke für die Antworten.> -> Der Leitungsquerschnitt ist das eine.
Die deutlich niedrigeren Ströme und damit die geringeren
Leitungsquerschnitte haben ja vermutlich noch viele weitere Konsequenzen
- Versorgungskabel werden insgesamt dünner und leichter (erhebliche
Material- und Gewichtseinssparungen z.B. bei Kupfer, Isoliermat. und
sonstigen Kontruktionsmat.), evtl. auch einfachere Montage von
leichteren und flexibleren Leitungen.
Für PCB heißt das, dass nicht nur Leiterzüge auf dem PCB schwächer
ausgelegt werden können, sondern auch Anschlüsse/Klemmen
Steckerverbinder für dünnere Adern reichen, und zwar sowohl elektrisch
als auch mechanisch.
Dicke Adern zerren auch mechanisch stärker an Steckern und Klemmen.
- Leistungshalbleiter haben bei 1/4-Stromfluss vergleichsweise viel
weniger Verlustleistung. Dadurch sind kleine Kühlkörper oder oft gar
keine etra Kühlung mehr extra nötig. Die Leistungshalbleiter selbst
können schwächer (kleiner) ausgelegt sein. Das spart auch PCB-Fläche.
Natürlich muß die Spannungsfestigkeit etwas höher sein.
- Viel kleinere geschaltete Stöme verursache geringere Störungen.
-> EMV wird leichter umzusetzen.
Bei kleineren Strömen kann man die Schaltflanken langsamer machen.
-> Das erhöht zwar die Umschaltverluste wieder etwas, aber EMV-mäßig ist
das ein Seegen für die Entwickler.
> Der wesentliche Unterschied ist> mir aber nicht klar? Werden generell neue Bauteile verwendet? D.h. alles> Bauteile unterliegen einer Neuentwicklung?
Naja. Alle Lasten müssen eben auf 48V umgestellt werden.
Bei manchen kann man auch notfalls mit Schaltregler auf z.B. 12V runter
regeln, aber das wird man nur machen, wenn es nicht anders geht.
Alle Halbleiter müssen natürlich für die höhere Spannung taugen!
Luft-und Kriechstrecken und Isolationen müssen natürlich für die höhere
Spannung ausgelegt sein. Aber das sehe ich als eher nebensächlich, weil
Kabel und Leitungen in 12V oder 24V-Systemem schon für deutlich höhere
Spannungen taugen.
> -> Sind Mehrlagige Platinen unterliegen einem höheren ESD-Schutz?
???
Mehrlagige LPL werden in komplexen Prozessorschaltungen verwendet.
Die arbeiten eh nicht mit 48V, sondern mit 5V oder 3,3V oder noch
niedrigerer Spannung. Da wird sich wohl wenig ändern.
ESD hat an dieser Stelle weniger mit der Betriebsspannung zu tun.
Primär wird es um die Leistungselektronik gehen, die als Peripherie an
den zentralen uC-Steuerungen hängt.
> -> Wie ist Problemmatik bzgl. ESD bei Aufbau, Montage oder im Betrieb?> **Was sind die Kostentreiber für Platinen?**
siehe oben.
> Fläche und Komplexität (kleine Strukturen und viele Lagen)> -> Komplexität? Warum? Weil 2 unterschiedliche Spannungen auf einer> (Mehrlagigen) Platine zum Einsatz kommen?
Oft werden in einer komplexen Elektronik weit mehr als 2 Spannungen
verwendet. Ob man niedrigere Spannungen (5V, 3,3V, und darunter) aus 12V
oder aus 48V macht ist unwesenlich anders.
> -> Gibt es einen (Preis)Faktor zwischen 12V und 48V Bauteilen?
Irgendwas müßt ihr doch dazu gelernt haben, oder?
Preise sind nicht an einem Parameter fest zu machen.
Das ist ein sehr vielschichtiges Thema.
> -> Statt bei einer 12V, die z.B. 3-Lagig ausgeführt ist, muss bei 48V> 6-Fach ausgeführt werden?
3 Lagen ist eh Quatsch.
Für pheriphere Leistungselektronik wird man vermutlich oft noch nicht
mal 4 Lagen benötigen, da kann man vermutlich oft auch mit 2 Lagen
auskommen.
Ansonsten siehe oben -> meine Meinung dazu.
Gruß Öletronika
Vergleich mal den Preis eines normalen KFZ-Relais für 12V mit einem,
welches 48V DC(!) mit ein paar Ampere abschalten kann. Dann weißt Du wo
einer der Kostentreiber sitzt.
Gerd E. schrieb:> Vergleich mal den Preis eines normalen KFZ-Relais für 12V mit> einem, welches 48V DC(!) mit ein paar Ampere abschalten kann. Dann weißt> Du wo einer der Kostentreiber sitzt.
Ja das ist doch Unsinn. Die sind halt so teuer weil keiner 48V bis jetzt
braucht. Kleine Stückzahlen -> teuer. Wenn 48V kommen sollte und die
Dinger in Milliardenstückzahlen produziert werden sind sie genauso
billig wie die jetzigen 12 oder 24V Varianten.
Herbert schrieb:> Gerd E. schrieb:>> Vergleich mal den Preis eines normalen KFZ-Relais für 12V mit>> einem, welches 48V DC(!) mit ein paar Ampere abschalten kann. Dann weißt>> Du wo einer der Kostentreiber sitzt.>> Ja das ist doch Unsinn. Die sind halt so teuer weil keiner 48V bis jetzt> braucht. Kleine Stückzahlen -> teuer. Wenn 48V kommen sollte und die> Dinger in Milliardenstückzahlen produziert werden sind sie genauso> billig wie die jetzigen 12 oder 24V Varianten.
Nö. Schau Dir mal die kleinen Funken an, die Du beim Abschalten von 12V
und meinetwegen 20A bekommst.
Und dann vergleiche das mit dem laaangen Funken, den Du bei 48V und 5A
ziehen kannst. Und dann schaue danach in die tiefen Furchen die Du bei
diesem Test in Deine Drähte gebrannt hast.
-> Relais die das dauerhaft aushalten können sollen, müssen wesentlich
robuster aufgebaut werden, evtl. auch mit einer Funkenlöschstrecke.
Gerd E. schrieb:> Nö. Schau Dir mal die kleinen Funken an, die Du beim Abschalten von 12V> und meinetwegen 20A bekommst.>> Und dann vergleiche das mit dem laaangen Funken, den Du bei 48V und 5A> ziehen kannst. Und dann schaue danach in die tiefen Furchen die Du bei> diesem Test in Deine Drähte gebrannt hast.>> -> Relais die das dauerhaft aushalten können sollen, müssen wesentlich> robuster aufgebaut werden, evtl. auch mit einer Funkenlöschstrecke.
Es geht nicht um Funken, eine der gängigen Fehlinformationen, sondern um
Lichtbögen. Das ist etwas ganz anderes. Funken kann man auch nicht
ziehen, sondern Lichtbögen. Bei Funken geht man von 1mm pro tausend Volt
aus. Da machen 12 oder 48V keinen Unterschied.
Und bei Lichtbögen geht es nicht um Spannung, sondern um Strom. Daher
sind die Abstände weniger ein Problem, wichtiger ist die
Kontaktöffnungsgeschwindigkeit. Inwieweit der wesentliche geringere
Laststrom bei 48V die bei 48V leichtere Möglichkeit, einen Lichtbogen zu
ziehen ausgleicht weiß ich nicht.
Die 42V von früher sind übrigens die Ladeschlußspannung von 3 12V
Batterien. Die 48V sind offensichtlich die Nennspannung von 4 Stück. Das
Netz müßte also eigentlich 56V Bordnetz heißen. Wegen der möglichen
Ausbildung von stehenden, nicht von selbst verlöschenden Lichtbögen bei
Spannungen um 50 bis 60V wollte man sich beim älteren Ansatz auf 3
Batterien und 42V beschränken.
MfG Klaus
Klaus schrieb:> Die 42V von früher sind übrigens die Ladeschlußspannung von 3 12V> Batterien. Die 48V sind offensichtlich die Nennspannung von 4 Stück. Das> Netz müßte also eigentlich 56V Bordnetz heißen. Wegen der möglichen> Ausbildung von stehenden, nicht von selbst verlöschenden Lichtbögen bei> Spannungen um 50 bis 60V wollte man sich beim älteren Ansatz auf 3> Batterien und 42V beschränken.
Mach das Rechenbeispiel mit 3,7/3,2Volt Lithium Zellen, dann passt das
mit den 48Volt wieder. Durch die E-Mobilität werden die 48Volt (wieder)
gepuscht.
Nur ein paar Anmerkungen:
- 42V sollte das komplette Bordnetz ersetzen. 48V wird vorwiegend durch
die Mild Hybrids (Bremsenergiegrückgewinnung) getrieben und wird immer
parallel zum 12V-Bordnetz eingesetzt.
- Lichtbögen sind, wie Klaus ganz richtig schrieb, ein Problem bei 48V.
Bei 12V können sie noch als selbstverlöschend angenommen werden, bei 48V
nicht mehr. Das Thema macht einigen Leuten ziemlich Kopfweh.
Max
