Archiv der Kategorie: EPAP – Power Management

Dämpfen eines Eingangsfilters

Bei diesen Stromversorgungen kommen zahlreiche Topologien zur Anwendung, aber bei allen von ihnen ist der Wirkungsgrad über den Bereich der Eingangsgröße hinweg im Wesentlichen konstant. Somit ist die Eingangsleistung über dem Eingangsspannungsbereich annähernd konstant.

 Bild 1: Stromversorgungen mit Schaltreglern haben eine negative Impedanz Bild 1: Stromversorgungen mit Schaltreglern haben eine negative Impedanz

Bild 1 zeigt die Eingangsspannung in Abhängigkeit vom Eingangsstrom. Wird die Spannung verringert, nimmt der Strom zu. Die Steigung dieser Kennlinie entspricht der dynamischen Impedanz der Stromversorgung – und diese ist negativ.

Mathematisch ausgedrückt entspricht die Steigung dieser Kurve dem negativen Wert der Eingangsspannung geteilt durch den Eingangsstrom. Das ist natürlich stark vereinfacht dargestellt, da der Regelkreis Einfluss auf den Frequenzgang der Eingangsimpedanz hat. In vielen Fällen aber genügt diese vereinfachte Betrachtung, wenn eine stromgesteuerte Regelung angewandt wird.

Schaltregler haben eine diskontinuierliche Stromaufnahme

 Bild 2: Bei der Resonanzfrequenz wird ein Filter zu einer resistiven Quellimpedanz Bild 2: Bei der Resonanzfrequenz wird ein Filter zu einer resistiven Quellimpedanz

Schaltregler haben eine diskontinuierliche Stromaufnahme, was zu einer Unterbrechung des Systembetriebs führen kann, wenn keine geeigneten Filtermaßnahmen getroffen werden. Die meisten Stromversorgungen sind daher mit einem Filter ausgestattet, das einen Frequenzgang wie in Bild 2 aufweist. Der Kondensator stellt für den Schaltstrom in der Leistungsstufe eine niedrige Impedanz dar. Die Induktivität bildet für die resultierende überlagerte Wechselspannung über dem Kondensator eine hohe Impedanz.

Diese hohe Impedanz minimiert den zur Quelle fließenden Schaltstrom. Betrachtet man den Frequenzgang der Quellimpedanz des Filters, sieht man, dass diese bei niedrigen Frequenzen dem Widerstand der Induktivität entspricht. Mit steigender Frequenz erhöht sich die Impedanz der Induktivität. Bei sehr hohen Frequenzen wird die Impedanz vom Ausgangskondensator überbrückt.

Im mittleren Frequenzbereich geraten Kondensator und Induktivität in Resonanz

Im mittleren Frequenzbereich geraten Kondensator und Induktivität in Resonanz, bei der eine hohe Quellimpedanz entsteht. In den meisten Fällen lässt sich der Spitzenwert durch Berechnen der charakteristischen Impedanz des Filters (Zout) abschätzen. Diese ist gleich der Quadratwurzel aus der Induktivität dividiert durch die Kapazität. Hierbei handelt es sich um die Impedanz entweder der Induktivität oder des Kondensators bei der Resonanzfrequenz.

Addieren Sie als nächstes den Kondensator-Ersatzserienwiderstand (ESR) und den Widerstand der Induktivität, und berechnen Sie die Güte Q der Schaltung. Nun können Sie den Spitzenwert der Quellimpedanz abschätzen, indem Sie Z0 mit Q der Schaltung multiplizieren. Diese Arbeit können Sie natürlich auch einem Computer überlassen.

 Bild 3: Aus einem Filter in Resonanz und einem Schaltregler entsteht schnell ein Oszillator. Bild 3: Aus einem Filter in Resonanz und einem Schaltregler entsteht schnell ein Oszillator.

Bild 3 veranschaulicht das Problem. Die Schaltung enthält zwei Widerstände mit gleichen Werten, aber entgegengesetztem Vorzeichen. Berechnet man die Dämpfung der Schaltung, führt dies zu einer Division durch Null, d.h. Sie haben einen Oszillator. Eine ähnliche Situation liegt auch in einem Stromversorgungssystem vor, in dem der negative Widerstand der Stromversorgung vom Ersatzwiderstand des Eingangsfilters bei Resonanz gespeist wird.

Das Geheimnis, wie man geschalteten Stromversorgungen Stabilität verleiht, besteht darin, dafür zu sorgen, dass die Quellimpedanz des Systems stets wesentlich kleiner ist als die Eingangsimpedanz der Stromversorgung. Dies muss bei der niedrigsten Eingangsspannung und maximaler Last der Fall sein, was der niedrigsten Eingangsimpedanz entspricht.

Der nächste Teil beschreibt einige praktische Verfahren zum Steuern der Eingangsimpedanz.

Von Robert Kollman, Texas Instruments.

Störminimierung bei Schaltreglern

 Bild 1: Die elementaren Schaltungsteile eines Schaltreglers bieten reichliche Angriffsflächen für die Störeinkopplung. Bild 1: Die elementaren Schaltungsteile eines Schaltreglers bieten reichliche Angriffsflächen für die Störeinkopplung.

So zeigt das Blockschaltbild in Bild 1 den störempfindlichen Schaltungsteil innerhalb eines Schaltreglers. Hier wird die Ausgangsspannung mit einer Referenz verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Dieses Fehlersignal wird schließlich mit einer Rampe verglichen, um ein PWM-Signal zum Ansteuern der Leistungsstufe zu erzeugen.

Störungen können dabei in drei Bereichen eingekoppelt werden, nämlich in den Ein- und Ausgang des Fehlerverstärkers, in die Referenz und in das Rampensignal. Ein sorgfältiges Design dieser drei Bereiche kann dazu beitragen, die Entwicklungs- und Erprobungszeiten zu minimieren.

Da die normalen Spannungspegel in diesen Bereichen recht klein sind, kann es dort leicht zu kapazitiven Einkoppelungen von Signalen mit großen Spannungsänderungsgeschwindigkeiten kommen. Bei einem guten Design sind die störempfindlichen Schaltungsteile deshalb auf kleinstem Raum und entfernt von schnell schaltenden Signalen angeordnet. Zusätzlich kann eine Schirmung durch Masseflächen erzielt werden.

Der Eingang ist ein empfindlicher Knotenpunkt des Schaltreglers

Der Eingang des Fehlerverstärkers ist wahrscheinlich der empfindlichste Knotenpunkt im gesamten Schaltregler, da er gewöhnlich mit den meisten Bauelementen verbunden ist. Kommt noch eine sehr hohe Verstärkung und eine hohe Impedanz dazu, ist das Fiasko beinahe vorprogrammiert. Im Layout muss die Länge der Leiterbahnen an diesem Knotenpunkt minimiert werden.

Das heißt, die Bauelemente im Gegenkopplungs- und Eingangszweig müssen möglichst nahe am Fehlerverstärker angeordnet sein. Befindet sich ein Hochfrequenz-Integrationskondensator in der Gegenkopplung, sollte auch dieser nahe am Verstärker liegen, gefolgt von den anderen Gegenkopplungs-Bauelementen.

Werden im Kompensationsnetzwerk RC-Serienschaltungen verwendet, erzielt man die besten Ergebnisse, wenn der Widerstand zum Eingang des Fehlerverstärkers hin angeordnet wird. Eingekoppelte hochfrequente Signale müssen dann gegen die hohe Impedanz des Widerstands „ankämpfen“ und nicht gegen die niedrige Impedanz des Kondensators.

Problembereich für eine Störeinkopplung ist das Rampensignal

Ein weiterer möglicher Problembereich für die Störeinkopplung ist das Rampensignal. Dieses wird bei Voltage-Mode-Reglern aus der Ladespannung eines Kondensators und bei Current-Mode-Reglern aus dem gemessenen Strom durch den Power-MOSFET im Schaltregler abgeleitet. Voltage-Mode ist diesbezüglich unkritischer, da der Kondensator gegenüber injizierten Hochfrequenzstörungen eine niedrige Impedanz darstellt und diese somit quasi kurzschließt. Current-Mode-Regler sind dagegen wegen der relativ kleinen Rampenamplituden, die zusätzlich durch parasitäre Komponenten im Leistungskreis und durch Stromspitzen im Umschaltmoment verfälscht werden, problematisch.

 Bild 2a: Beispiel für ein verbreitetes Rauschprobleme beim Strommodus: Stromspitzen Bild 2a: Beispiel für ein verbreitetes Rauschprobleme beim Strommodus: Stromspitzen

Bild 2 zeigt zwei Beispiele für die Probleme bei Current-Mode-Spannungswandlern. Im ersten Signalverlauf sind die großen Stromspitzen nach dem Einschalten des Power-MOSFETs deutlich zu erkennen.

Dieses Problem lässt sich am besten durch Ausblenden dieser Stromspitze und durch HF-Filterung am bzw. im Regel-IC lösen. Auch hier sollte man den Filterkondensator möglichst nahe am Regel-IC positionieren.

 

 

 Bild 2b: Beispiel für ein verbreitetes Rauschprobleme beim Strommodus: Subharmonische Bild 2b: Beispiel für ein verbreitetes Rauschprobleme beim Strommodus: Subharmonische

Ein weiteres verbreitetes Problem ist die Anregung von subharmonischen Schwingungen, die in beiden Signalverläufen zu erkennen ist. PWM-Signale mit ständig wechselnder Pulsbreite sind ein Indiz für eine unzulängliche Kompensation der Stromrampe – insbesondere bei beabsichtigten Tastverhältnissen größer 50%. Dies lässt sich beheben, wenn man zur Stromrampe eine zusätzliche Spannungsrampe addiert.

Nun sind Sie bei Ihrem Layout wirklich mit aller Sorgfalt vorgegangen – aber Ihr Prototyp arbeitet immer noch nicht störungsfrei. Kontrollieren Sie zunächst das dynamische Verhalten des Regelkreises, um Instabilitäten als Problemursache auszuschließen. Interessanterweise kann sich ein Störproblem wie eine Instabilität bei der Transitfrequenz des Schaltreglers bemerkbar machen. Tatsächlich aber ist es so, dass der Regelkreis versucht, ein injiziertes Fehlersignal so schnell wie möglich zu korrigieren. Man braucht sich nur ins Gedächtnis zu rufen, dass die Störungen in die drei Bereiche Fehlerverstärker, Referenz oder Rampe injiziert werden können.

In einem ersten Schritt werden deshalb die Signale an den entsprechenden Knotenpunkten betrachtet. Suchen Sie nach offensichtlichen Nichtlinearitäten in der Rampe und nach hochfrequenten Abweichungen im Ausgangssignal des Fehlerverstärkers. Ist hier nichts Ungewöhnliches zu finden, dann entfernen Sie den Fehlerverstärker aus der Schaltung und ersetzen ihn durch eine rauschfreie Laborspannungsquelle, deren Ausgang Sie im entsprechenden Spannungsbereich stufenlos variieren.

Mit dem Verändern dieser Spannung sollte sich ebenfalls die Ausgangsspannung ihres Schaltreglers verändern. Ist dies der Fall, haben Sie das Problem auf die Referenz und den Fehlerverstärker eingekreist.

Empfindlichkeit bei schnell schaltenden Signalen

Gelegentlich reagieren die Referenzspannungsquellen in einem Regel-IC empfindlich auf schnell schaltende Signale, was sich mit einem zusätzlichen (oder sachgemäß gewählten) Abblockkondensator beheben lässt. Auch das Verlangsamen der Schaltvorgänge des Power-MOSFETs durch Einfügen von Gate-Ansteuerwiderständen kann hilfreich sein.

Liegt das Problem im Fehlerverstärker, kann häufig ein Verringern der Impedanz der Kompensationsbauelemente helfen, da dies die Amplitude der injizierten Störung reduziert. Hilft dies alles nichts, so entfernen Sie die Bauteile des Kompensationsnetzwerkes und die Pins des Fehlerverstärkers von der Leiterplatte. Durch eine Freiverdrahtung dieses Schaltungsteiles (auch hier mit kürzest möglichen Verbindungen!) lässt sich möglicherweise feststellen, wo das Problem liegt.

Eine rauschfrei arbeitende Stromversorgung ist kein Zufall. Für die richtige Positionierung der Bauteile und das optimale Layout ist das Verständnis der Wirkungsweise der Schaltung erforderlich. Auch das Einkreisen und Beheben von Störungsproblemen erfordert einiges an Laborerfahrung.

Im nächsten Power-Tipp geht es darum, wie man Eingangsfilter dämpfen kann.

Von Robert Kollman, Texas Instruments.

Möglichkeiten des Power Sequencing

Wie stelle ich sicher, dass absolute Grenzwerte, die von Spannungswerten an anderen Pins eines IC abhängen, während des Einschaltens nicht überschritten werden?

Wie Viktor Frankenstein schon feststellte, kann das fahrlässige Anlegen von Spannung ernsthafte Konsequenzen haben. „Power Sequencing” – die Steuerung der Einschaltreihenfolge mehrerer Spannungen eines Systems – ist bei den meisten modernen Analog-ICs im Gegensatz zu älteren Varianten weniger problematisch, da viele von ihnen mit nur einer Spannung versorgt und wieder andere durch eine Power-Sequenz nicht beschädigt werden.

Es gibt jedoch auch heute noch Bausteine, die beschädigt werden können, falls mehrere Stromversorgungen in der falschen Reihenfolge eingeschaltet werden – und es kommt sehr oft vor, dass Systeme mit mehreren Bausteinen anfällig dafür sind. Sobald ein System mehr als eine Spannungsversorgung hat, ist es wichtig, für alle Bereiche des Systems und für alle möglichen Reihenfolgen beim Einschalten das Worst-Case-Szenario zu analysieren. Falls eine der möglichen Szenarien Schäden bewirken kann, müssen die Stromversorgungen so ausgelegt werden, dass das System sicher ein- und ausschaltet.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, sicherzustellen, dass Stromversorgungen in der richtigen Reihenfolge einschalten. Die einfachste Möglichkeit ist, sie über Dioden zu betreiben, damit alle Spannungen gleichzeitig ansteigen, bis die niedrigste Spannung den korrekten Wert hat. Dann steigen die verbleibenden Spannungen zusammen an, bis die nächste Spannung ihren richtigen Wert erreicht. Dies geht so lange, bis alle Spannungen ihren richtigen Wert haben.

Dies ist einfach und stellt außerdem sicher, dass alle Spannungen in der richtigen Reihenfolge ausschalten. Allerdings funktioniert dies nur, wenn alle Versorgungsspannungen die gleiche Polarität haben und die Sequenz ein Einschalten in ansteigender Reihenfolge verlangt (was sehr häufig der Fall ist).

Die Programmierung von Einschaltverzögerungen mit entsprechenden Filterkondensatoren ist ebenfalls einfach. Allerdings können dabei Timing-Probleme auftreten, wenn das System abgeschaltet wird oder „Glitches“ auf der Versorgungsspannung auftreten.

Die beste Lösung ist der Einsatz von Timern. Damit lässt sich sicherstellen, dass verschiedene Versorgungsspannungen in einem System in der richtigen Reihenfolge und mit geeigneten Verzögerungszeiten dazwischen einschalten. Bisher erfolgte dies mit dem allgegenwärtigen Timer 555. Heute jedoch gibt es eine Reihe spezieller, für das Sequencing von Spannungen entwickelter Bauteile. Einige enthalten viele (bis zu 12) Sequencer auf einem Chip und können 12 Versorgungsspannungen eines Systems überwachen, um zu verifizieren, dass sie in den richtigen Spannungsgrenzen liegen.

Andere Bauteile sind sehr einfach und kaskadiert (eine pro Versorgungsspannung), um genau die erforderliche Anzahl zu steuern. Selbst mit „Supply Sequencing” ist der Einsatz von Schottky-Dioden ratsam. Damit lässt sich sicherstellen, dass Versorgungsspannungen niemals ihre Polarität umkehren können, weil Ströme durch ICs und zurück in eine andere Versorgungsleitung fließen.

Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices.

Die richtige Betriebsfrequenz für eine Stromversorgung wählen

Die Auswahl der richtigen Schaltfrequenz für eine Stromversorgung ist eine komplexe Abwägung zwischen den drei Faktoren Größe, Wirkungsgrad und Kosten. Ein erheblicher Anteil an der Größe einer Stromversorgung entfällt auf das Filter, das umso kleiner wird, je höher die gewählte Schaltfrequenz ist.

Jeder Schaltvorgang findet innerhalb einer endlichen Zeitspanne statt und ist mit Energieverlusten behaftet: Je höher die Schaltfrequenz, desto größer sind die einhergehenden Schaltverluste und desto niedriger fällt der Wirkungsgrad aus. Bei einem Betrieb mit höheren Schaltfrequenzen verringern sich die Werte der Filterbauelemente.

Dies kann also bei einer Stromversorgung zu beträchtlichen Kosteneinsparungen führen. In den folgenden Abschnitten wollen wir anhand eines simplen Abwärtsschaltreglers veranschaulichen, welche Folgen Änderungen an einem der drei Parameter jeweils haben.

 Bild 1: Beim Platzbedarf der Stromversorgungsbauelemente dominieren die Halbleiter.
Bild 1: Beim Platzbedarf der Stromversorgungsbauelemente dominieren die Halbleiter.

Bild 1 zeigt das Schaltbild eines Abwärtsschaltreglers und ein Diagramm mit dem Platzbedarf in Abhängigkeit von der Frequenz. Am unteren Ende der Frequenzskala (100 kHz) haben die Induktivitäten den größten Anteil am Gesamt-Platz. Unter der Voraussetzung, dass der Platzbedarf der Induktivitäten ihrer Energie entspricht, sinkt das Platz direkt proportional zur Frequenz.

Dies ist allerdings eine eher optimistische Annahme, denn bei einer bestimmten Frequenz steigen die Ummagnetisierungsverluste in der Induktivität, so dass einer weiteren Verkleinerung Grenzen gesetzt sind. Verwendet man Keramikkondensatoren, verringert sich die Größe des ausgangsseitigen Kondensators mit der Frequenz, da bei höheren Frequenzen auch niedrigere Kapazitätswerte genügen.

Bei niedrigen Frequenzen dominieren Passive den Schaltregler

Andererseits dimensioniert man die eingangsseitigen Kondensatoren anhand der vorgegebenen maximalen Welligkeit. Diese ändert sich mit der Frequenz nur unwesentlich, so dass deren Platzanteil tendenziell konstant bleibt. Schließlich ist im Diagramm in Bild 1 dargestellt, welcher Anteil in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz auf die im Schaltregler enthaltenen Halbleiter entfällt.

Wie man sieht, wird die Größe des Schaltreglers bei niedrigen Schaltfrequenzen klar von den passiven Bauelementen bestimmt. Je höher die Schaltfrequenz ist, desto mehr fällt der Halbleiteranteil ins Gewicht.

Von einem konstanten Platzbedarf für die Halbleiter auszugehen, ist allerdings eine zu starke Vereinfachung. In Halbleitern existieren Leitungs- und Schaltverluste. Leitungsverluste in einem synchronen Abwärtsregler entstehen in den MOSFETs und sind umso größer, je kleiner die Chipfläche ist. Je größer die MOSFET-Fläche ist, desto geringer ist ihr Widerstand, und desto niedriger sind auch die Leitungsverluste.

Was Leitungs- und Schaltverluste verursacht und wie man diese senkt

Die Schaltverluste hängen davon ab, wie schnell der MOSFET schaltet und welche Eingangs- und Ausgangskapazitäten er aufweist. Diese sind von der Größe des Bauelements abhängig. So wird ein größeres Bauelement längere Schaltzeiten und höhere Kapazitätswerte aufweisen.

 Bild 2: Eine höhere Betriebsfrequenz führt zu höheren Gesamtverlusten
Bild 2: Eine höhere Betriebsfrequenz führt zu höheren Gesamtverlusten

Bild 2 veranschaulicht diese Trends für zwei unterschiedliche Schaltfrequenzen. Die Leitungsverluste (Pcon) sind unabhängig von der Schaltfrequenz, während die Schaltverluste (Psw F1 und Psw F2) direkt damit zusammenhängen. So führt eine höhere Schaltfrequenz von Psw F2 zu höheren Schaltverlusten.

Bei jeder der beiden Schaltfrequenzen stellt sich ein minimaler Gesamtverlust ein, wenn die Schalt- und Leitungsverluste gleich groß sind. Dieser ist bei der höheren Frequenz größer.

Eine höhere Schaltfrequenz hat den Vorteil, dass die Chipfläche kleiner ist, was sich in Kosteneinsparungen bemerkbar machen kann. Bei den niedrigen Frequenzen, wie sie in der Praxis verwendet werden, führt das Auffangen von Verlusten durch Verändern der Chipfläche zu einem übermäßig teuren Design.

Bewegen wir uns dagegen in Richtung höherer Schaltfrequenzen, können wir durch Optimierung der Chipfläche die Verluste senken und somit den Platz verringern, den die Halbleiter innerhalb eines Schaltreglers beanspruchen. Die Kehrseite ist, dass die Wirkungsgrade sinken, wenn in der Halbleitertechnologie keine Verbesserungen erzielt werden.

Bei höherer Schaltfrequenz sollten die Kosten sinken

Erhöht man die Schaltfrequenz eines Schaltreglers, sollten seine Kosten sinken. Bei einer höheren Schaltfrequenz verringert sich die Größe der Induktivitäten und es werden Einsparungen beim Kernmaterial möglich. Außerdem sinken die Anforderungen an den Ausgangskondensator. Bei Keramikkondensatoren bedeutet dies, dass entweder geringere Kapazitätswerte ausreichen oder dass man mit weniger Kondensatoren auskommt. Zudem verringert sich die Halbleiter-Chipfläche, was die Kosten ebenfalls senkt.

Um die richtige Frequenz zu ermitteln, gilt es also, den besten Kompromiss aus Größe, Wirkungsgrad und Kosten zu finden. Tendenziell erzielen die Lösungen mit niedrigeren Schaltfrequenzen die besten Wirkungsgrade, aber sie sind auch die größten und teuersten Varianten. Ein Übergang hin zu höheren Schaltfrequenzen verbessert die Größen- und Kostensituation, das wird aber mit steigenden Verlusten erkauft.

Beim nächsten Mal wenden wir uns in Tipp 2 der Frage zu, wie man dem Rauschen in Schaltreglern am besten zu Leibe rückt.

Von Robert Kollman, Texas Instruments.

Induktivitäten sind keine symmetrischen Bausteine

Beim Entwurf eines DC/DC-Wandlers kommt man an Induktivitäten kaum vorbei. Es gibt nur zwei Möglichkeiten ohne sie: Linearregler, auch als LDOs bekannt, sowie Ladungspumpen. Linearregler haben in den meisten Anwendungen eine sehr niedrige Effizienz, da sie überschüssige Spannung in Wärme umwandeln.

Ladungspumpen nutzen Kapazitäten und Dioden, um eine Spannung zu verändern, sind aber nur bei niedrigen Lasten praktikabel. Somit sind Induktivitäten als sogenannte Speicherdrosseln in DC/DC-Wandlerschaltungen weit verbreitet. Für die Auswahl der richtigen Induktivität helfen Datenblätter der Schaltregler IC sowie Berechnungstools der Halbleiter- sowie Speicherdrosselhersteller.

Hat man eine Spule ausgewählt, wird sie häufig wahllos auf die Platine gesetzt. Erfahrene Entwicklungsingenieure achten beim Schaltungsentwurf auch darauf, die für Schaltregler wichtigen Regeln für das Platinenlayout einzuhalten. Vielen Anwendern ist aber nicht bekannt, welchen Einfluss die Orientierung der Speicherdrossel auf der Platine hat. Obwohl der Baustein nur zwei Anschlüsse besitzt und dazwischen die gewählte Induktivität liegt, sollte auf die richtige Anschlussrichtung geachtet werden.

 Bild 1: Aufbau einer Speicherdrossel
Bild 1: Aufbau einer Speicherdrossel

Warum? Speicherdrosseln sind häufig so konstruiert wie in Bild 1 dargestellt. Es gibt einen Anschluss, welcher als ‚start of winding‘ an den Drosselkern geführt wird. Dort wird der Spulendraht häufig um den Spulenkern gewickelt. Dies geschieht bei den meisten Induktivitäten in vielen Lagen bis genügend Wicklungen für die gewünschte Induktivität erreicht sind.

Das Ende des Spulendrahts wird dann an den zweiten Anschluss der Speicherdrossel geführt. Diesen Anschluss bezeichnet man als ‚end of winding‘. Er ist direkt mit den äußeren Wicklungen der Induktivität verbunden. Der Anschluss ‚start of winding‘ hingegen ist mit den inneren Wicklungen der Speicherdrossel verbunden.

 Bild 2: Speicherdrossel in einer Abwärtswandlerschaltung
Bild 2: Speicherdrossel in einer Abwärtswandlerschaltung

Bild 2 zeigt eine typische DC/DC-Wandlerschaltung mit dem ADP2441 von Analog Devices. Dabei handelt es sich um einen Abwärtswandler, der aus einem sehr breiten Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 36 V eine Ausgangsspannung generiert, die unterhalb der Eingangsspannung liegt.

Wie in jedem Induktiven Spannungswandler wird in der Speicherdrossel Energie gespeichert und dann wieder abgegeben. Dieser Zyklus kommt dadurch zustande, dass die angelegte Spannung über der Induktivität verändert wird. Es muss sich also mindestens die Spannung an einer Seite der Induktivität ändern, um den Zyklus zu erhalten. Bei einem Abwärtswandler wie in Bild 2 dargestellt wird die Spannung am Schaltknoten zwischen der Eingangsspannung, beispielsweise 24 und 0 V, hin und her geschaltet.

Aus Effizienzgründen erfolgt dieses Umschalten sehr schnell, typischerweise innerhalb von 20 ns. Man sollte den Schaltknoten nicht unnötig groß im Platinenlayout auslegen, da man durch die sich schnell ändernde Spannung an diesem Knoten kapazitiv in andere Schaltungsbereiche koppeln kann. Es entsteht Rauschen welches zu erhöhter Stör-Abstrahlung führen kann.

Man sollte also darauf achten, dass der Anschluss ‚start of winding‘ der Speicherdrossel an den Schaltknoten angeschlossen wird. Dieser ‚unruhige‘ Knoten ist dann mit den inneren Windungen der Speicherdrossel verbunden. Die äußeren Wicklungen werden folglich mit der ruhigen Ausgangsspannung verbunden sein und schirmen so die kapazitiven Kopplungen der inneren Windungen weitestgehend ab. Viele Speicherdrosseln haben eine Markierung auf dem Gehäuse mit der die Anschlüsse gekennzeichnet sind.

Früher war es nicht so entscheidend, welche Orientierung die Speicherdrossel aufwies. Viele Spulen hatten noch nicht einmal eine Markierung, anhand derer man festzustellen konnte, welcher Anschluss der Anfang und welcher Anschluss das Ende der Wicklung ist. Einflüsse eines falschen Anschlusses wirkten sich auf die Schaltung nur wenig aus, da die Schalttransienten wesentlich langsamer waren.

Vor 15 Jahren besaßen die Schaltregler zumeist Bipolartransitoren als Schaltelemente, welche bei 50 oder 100 kHz Schaltübergänge im Bereich von 80 oder sogar 100 ns hatten. Die Schaltfrequenzen waren hauptsächlich durch diese langsamen Schaltübergänge begrenzt.

Durch langsame Spannungsänderungen am Schaltknoten wirkt sich die kapazitive Kopplung der äußeren Windungen bei falscher Bestückungsrichtung der Spule nur sehr wenig aus. Somit war die Polarisierung der Spule nicht entscheidend und wurde nicht beachtet. Die heutigen schnellen Schaltübergänge haben also nicht nur das Layout der Platine erschwert, sondern auch eine Richtungsangabe der Speicherdrosseln notwendig gemacht.

Aufgeschnappt: Energy-Harvesting-Bausteine

Als Antwort auf die Frage, wie weit sich die Leistungsaufnahme eines Gerätes absenken lässt, präsentiert Texas Instruments mit dem TPS62736 den eigenen Angaben zufolge sparsamsten Abwärts-Gleichspannungswandler der Industrie. Gegenüber alternativen Bausteinen erhöht der Baustein die per Energy Harvesting gewonnene Energiemenge, die einer Endanwendung zur Verfügung gestellt werden kann, um 70 Prozent [sic!]. Der Wandler ermöglicht damit den batterielosen Betrieb verschiedener Applikationen, darunter beispielsweise drahtlose Sensornetzwerke, Überwachungssysteme, Rauchmelder, am Körper zu tragende medizinische Geräte und Mobiltelefon-Zubehör.

DC-DC-Wandler mit geringer Leistungsaufnahme

Der DC-DC-Wandler TPS62736 erzielt bei Ausgangsströmen zwischen 10 µA und 50 mA einen Wirkungsgrad größer 90 Prozent. Im aktiven Zustand nimmt er 350 nA auf, im Standby-Status 20 nA. Bei Ausgangsströmen über 15 µA arbeitet er durchgehend mit einem Wirkungsgrad über 90 Prozent. Er setzt die von der jeweiligen Energiequelle, d.h. einer Batterie in Dünnschicht- oder Normalausführung bzw. einem Superkondensator gelieferte Eingangsspannung auf eine Ausgangsspannung herab, deren Höhe sich programmieren lässt.

Der Chip wird zurzeit von TI bemustert. Er besitzt ein 3,5 x 3,5 mm großes QFN-Gehäuse und kostet 2,‑ US-Dollar (ab 1.000 Stück). Die Massenfertigung dürfte zum Ende des ersten Quartals beginnen. Für ausgewählte Kunden sind Evaluierungs-Module verfügbar.

Anforderungen an das digitale Powermanagement

Ein optimales Powermanagementsystem charakterisiert nicht nur die Systemleistung. Mit ihm lassen sich Spannungssequenzen optimieren und der Stromverbrauch minimieren. Fertigungstests können einfach durchgeführt und Fehlerursachen schnell erkannt werden. Der Beitrag gibt einen Überblick zu Hauptforderungen an moderne Powermanagementsysteme.

Die Entwickler moderner Netzwerkausrüstungen sind gezwungen den Datendurchsatz und die Leistungsfähigkeit ihrer Systeme zu steigern und außerdem zusätzliche Funktionen und Eigenschaften zu integrieren. Auch der Energieverbrauch des Gesamtsystems soll bei gleich bleibender physikalischer Größe gesenkt werden. Diese „grünen“ Netzwerksysteme bestehen aus vielen ASICs, DSPs und Prozessoren mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen (30 bis 40 unterschiedliche Versorgungsspannungen sind nicht ungewöhnlich).

In Datenzentren muss der gesamte Leistungsbedarf durch Umterminierung (rescheduling) des Datenflusses (work flow) und Umverteilen von Arbeiten an nicht ausgelastete Server reduziert werden. Nicht benötigte Server werden abgeschaltet. Dazu muss man den Leistungsbedarf der Endanwender kennen. Ein optimal entwickeltes digitales Powermanagementsystem (PMS) versorgt den Nutzer mit diesen Daten zum Leistungsverbrauch.

Elemente einer Stromversorgungsbaugruppe mit Mehrfachspannungen

Bild 1: Das Kaskadieren mehrerer LTC2978-Bausteine für eine Anwendung mit Mehrfachversorgungsspannungen
Bild 1: Das Kaskadieren mehrerer LTC2978-Bausteine für eine Anwendung mit Mehrfachver-sorgungsspannungen

Ein großes Board mit Mehrfachversorgungsspannungen besteht aus einem isolierten Intermedia-Bus-Converter (IBC), der die –48 V von der Backplane auf eine Zwischenbusspannung (intermediate bus voltage – IBV) wandelt, typisch 12 bis 3,3 V, und über die Karte verteilt. Einzelne Point-of-Load-(POL)-Gleichspannungswandler wandeln diese Zwischenbusspannung (IB) auf die benötigten Versorgungsspannungen herunter, die typische Stromnennwerte von 1 bis 120 A von 5 bis 0,6 V haben (Bild 1).

Die POLs können als eigenständige Module ausgeführt sein oder sind Lösungen, die aus Gleichspannungscontrollern mit dazugehörigen Spulen, Kondensatoren und MOSFETs bestehen. Diese Versorgungsspannungen sind hinsichtlich des sequenziellen Einschaltens der Versorgungen, der Spannungsgenauigkeit, ausreichender Spannungsmargen und der Überwachung sehr sensibel.

Digitales Powermanagement

Powermanagement-Bausteine werden ständig weiterentwickelt. Die Powermanagementschaltung darf jedoch nicht zu viel der Leiterplattenfläche beanspruchen. Sie muss zudem robust und einfach einzusetzen sein. Die PM-Funktionen (Power Management) wurden in der Vergangenheit mit zahlreichen ICs realisiert, wie FPGAs, Sequenzer, Supervisors, D/A-Wandler und Margin-Controller.

Bild 2: Beispiel für eine typische Anwendung
Bild 2: Beispiel für eine typische Anwendung

Der LTC2978 kombiniert diese Funktionen in einem Baustein, der mit weiteren Bausteinen über eine Taktleitung und optionale gemeinsame Fehlerleitungen zusammengeschaltet ist und bis zu 72 Versorgungsspannungen mit einem einzigen Segment eines I²C-Busses steuern kann. Nachfolgend werden einige der Schlüsselanforderungen von derartigen Powermanagementsystemen untersucht.Neuere Powermanagement-ICs kombinieren mehrere Funktionen und können bis zu acht unterschiedliche Versorgungsspannungen ansteuern. Bild 2 zeigt als Beispiel einen Kanal des digitalen Powermanagement-ICs LTC2978, der einen Gleichspannungswandler steuert. Solche Lösungen können autonom arbeiten oder mit einem Host-Prozessor kommunizieren, um Befehle zu übermitteln, die Steuerung zu übernehmen und um Reports telemetrisch zu übertragen.

Neue Steuersprache für große Boards mit Mehrfachversorgungsspannungen

Die Befehlssprache PMBus wurde entwickelt, um die Bedürfnisse von großen Mehrfachversorgungsspannungssystemen zu erfüllen. Der PMBus ist ein offenes standardisiertes Powermanagementprotokoll mit einer vollständig definierten Befehlssprache, die die Kommunikation mit Leistungswandlern, Powermanagementbausteinen und System-Hostprozessoren in einer Stromversorgung vereinfacht. Zusätzlich zum definierten Satz von Standardbefehlen können in PMBus-kompatible Bausteine auch proprietären Befehle implementiert sein, um spezielle Funktionen zu bieten.

Die Standardisierung der Befehle und des Datenformats ist ein großer Vorteil für diejenigen, die diese Baugruppen produzieren. Das Protokoll ist über die serielle Standard-SMBus-Schnittstelle implementiert und ermöglicht das Programmieren, Steuern und die Echtzeitüberwachung der Leistungswandler. Die Standardisierung der Befehlssprache und des Datenformats erlaubt eine vereinfachte Entwicklung von Firmware und ihre Wiederverwendung, was für die Entwickler in einer verkürzten Markteinführung ihrer Powersysteme resultiert.

„Grüner Strom“ aus Äpfeln, Orangen, Zitronen und Limetten

Jim Hensons Schöpfung Kermit, der Frosch, sagt: „Es ist nicht leicht, grün zu sein.“ Auch wir sind der Meinung, dass Energiesparen schwierig ist – aber auch unbedingt notwendig. Clevere Schaltungsentwickler und fortschrittliche Unternehmen erfüllen die diesbezüglichen Erwartungen ihrer Kunden. Beim Energiesparen kommt es auf kleinste Details an. Bei Energieeffizienz geht es um Microampere (µA). Zum Vergleich: eine 60W-Glühlampe verbraucht (bei 120 V Netzspannung) 0,5 A. Das sind 500.000 µA.

Warum muss man so genau messen? Weil die Summe aller Ströme zählt und weil man – wie bei jedem Budget – jede einzelne Kostenposition reduzieren muss, sei sie auch noch so klein. Es ist offensichtlich, dass die Verbraucher bei batteriebetriebenen Geräten großen Wert auf möglichst lange Batterielaufzeit legen. Bei netzbetriebenen Hausgeräten ist es weniger offensichtlich, dass auch sie Kosten verursachen, sobald sie an der Steckdose hängen – selbst im ausgeschalteten Zustand. Wenn bei einem Gerät im „ausgeschalteten“ Zustand eine Anzeige leuchtet, die signalisiert, dass das Gerät auf einen Fernsteuerungsbefehl, einen Tastendruck oder ein Timer-Signal wartet, verbraucht es Standby-Leistung.

Was kostet die Standby-Leistungsaufnahme? Die oben erwähnte 60-W-Glühlampe verursacht, wenn sie rund um die Uhr eingeschaltet ist, monatliche Stromkosten in Höhe von US-$ 14,65*. Ein Hausgerät, das im Standby-Modus 1 W verbraucht, verursacht Stromkosten in Höhe von US-$ 0,25, ohne irgend jemandem zu nutzen. Gehen Sie einmal durch eine typische Wohnung und zählen Sie die dort vorhandenen Hausgeräte, Fernsehapparate, Radios, Stereoanlagen, Computer, Garagentoröffner, Mikrowellenherde, Waschmaschinen, Wäschetrockner, Heizlüfter und Rasensprenger. Und zählen Sie die Akkuladegeräte noch dazu. Sie kommen leicht auf 20 Geräte, die im Standby laufen, und die meisten davon verbrauchen dabei mehr als 1W.

So weit die guten Nachrichten. Die schlechte Nachricht ist, dass eine Kabel-TV-Set-Top-Box im Betrieb 80 W und im Standby 79 W verbrauchen kann (Kosten: US-$ 19,53 bzw. 19,30). Eine Satelliten-Set-Top-Box kann sowohl im Betrieb als auch im Standby-Modus 120 W verbrauchen – und damit Stromkosten in Höhe von US-$ 29,30 verursachen.

Aber die monatlichen Stromkosten sind nur ein Aspekt – als verantwortliche Erdenbürger müssen wir auch die Auswirkungen auf die Umwelt bedenken. Als Schaltungsentwickler können wir durch sorgfältige Bauteilauswahl zum Umweltschutz beitragen – und glücklicherweise sind stromsparende Bauteile nicht unbedingt teurer. Da die Strukturbreiten von ICs mit jeder Generation kleiner werden, sind neuere ICs tendenziell energieeffizienter.

Bild 1: Ein Spannungsreferenz-IC wird durch eine Zitronenbatterie gespeist
Bild 1: Ein Spannungsreferenz-IC wird durch eine Zitronenbatterie gespeist

Was hat das alles mit Äpfeln, Orangen, Zitronen und Limetten zu tun? Und wie lässt sich anhand dieser Früchte „grüne“ Technologie demonstrieren? Nun ja, wenn eine Story medienwirksam sein soll, muss sie eine eingängige Überschrift haben. Die Überschrift besagt, dass ICs von Maxim so wenig Strom verbrauchen, dass eine „Obstbatterie“ – bestehend aus ein paar Äpfeln, Orangen, Zitronen oder Limetten – als Energiequelle genügt. Bild 1 zeigt eine solche Schaltung.

Batterie aus Obst

Diese 3,6-V-Batterie besteht aus vier Zitronenzellen. Jede Zelle liefert eine Spannung von 0,9 V bei Strömen bis zu etwa 100 μA. Die Spannungsreferenz MAX6029 liefert eine präzise Referenzspannung von 2,5 V und zieht einen maximalen Strom von 5,5 μA. Bild 1 illustriert den extrem geringen Stromverbrauch dieses IC.

Die Batteriespannung wird in erster Linie durch die chemischen Eigenschaften der Kupfer- und Zink-Elektroden bestimmt. Viele Früchte- und Gemüsesorten können als Batterien fungieren. Äpfel, Orangen, Zitronen, Limetten, Grapefruit und Kartoffeln liefern allesamt Spannungen zwischen 0,88 und 0,95 V pro Zelle. Die Farbe der Batterie ist eigentlich egal, aber wenn wir behaupten, durch Verwendung von Zitronen „grüner“ zu werden, dann ergibt das eine Überschrift, die die Story interessant macht.

Einer Schätzung zufolge werden etwa 10% des gesamten Strombedarfs von Haushalten durch Geräte im Standby-Modus verschwendet.² Das Energy Star-Programm, das von der US-Umweltschutzbehörde und dem U.S. Department of Energy ins Leben gerufen wurde, schätzt, dass 129 Millionen Haushalte durchschnittlich jeweils US-$ 2200 pro Jahr für elektrische Energie ausgeben.³ Aus diesen Zahlen kann man leicht errechnen, dass die Energievergeudung im Standby-Modus jährliche Kosten von etwa US-$ 28,3 Milliarden verursacht. Das ist eine atemberaubende Zahl – insbesondere wenn man bedenkt, dass der Standby-Modus nur dazu dient, dass wir es uns als Couch Potatoes bequem machen können. Wenn wir einfach aufstehen und einen Schalter betätigen würden, könnten wir uns diese Ausgabe ersparen.

Angesichts der Tatsache, dass wir US-$100 im Jahr sparen können, bekommt das Wort „grün“ auf einmal einen sehr angenehmen Klang. Jetzt, da wir wissen, was Energieeffizienz für jeden von uns persönlich bedeutet, können wir unsere Umweltschutzbemühungen nochmals verdoppeln. Zwar ist ein Microampere ein winzig kleiner Wert, doch angesichts von Milliarden Menschen auf der Welt macht die Summe einen gewaltigen Betrag aus.

Der Autor Bill Laumeinester ist als Strategic Application Engineer bei Maxim in Sunnyvale /USA tätig .

*Die Strompreise für Haushalte sind von Ort zu Ort unterschiedlich und zeitabhängig. Die zugrunde gelegten Preise galten für Haushalte in Nordkalifornien zum Zeitpunkt der Drucklegung dieses Applikationsberichts.

 

Weiterführende Literatur

¹“What are energy vampires and what can I do about them?“ ENERGY STAR (Stand: 27. September 2011).

²“Standby Power“ in Wikipedia, The Free Encyclopedia (Stand: 27. September 2011).

³“Where Does My Money Go?“ ENERGY STAR (Stand: 27. September 2011).