Energieverteilung Der Power-Manager

Ein Power-Manager ist stets Herr der Lage. Er überwacht und lenkt - ganz dezent aus dem Hintergrund. Auf die Technik übertragen heißt das: er organisiert und optimiert die elektrische...

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Ein Power-Manager ist stets Herr der Lage. Er überwacht und lenkt – ganz dezent aus dem Hintergrund. Auf die Technik übertragen heißt das: er organisiert und optimiert die elektrische Energieversorgung aller Komponenten eines elektronischen Gerätes. Bis vor wenigen Jahren fand das Thema unter den Entwicklern kaum Beachtung (und die meist ungeliebte Planung der Stromversorgung erledigte man oft erst im letzten Schritt). Doch gerade die moderne mobile Kommunikation und Datenverarbeitung mit ihren fassettenreichen Funktionen macht das Power-Management zur Pflicht und verschärft seine Anforderungen immer wieder auf das Neue. Welche das sind und wie man ihnen begegnet, sagt dieser Beitrag.

Gerade die Hersteller von Prozessoren, Mikrocontrollern, DSPs und FPGAs sind zur Verwendung von immer kleineren Halbleiterstrukturen gezwungen. Denn bei konstantem Trend zur Miniaturisierung verlangt der Markt gleichzeitig nach mehr Funktionalität und Leis- tung von Chips bzw. Endgeräten. Mit dem Ergebnis, dass einerseits die Versor- gungsspannungen immer kleiner werden und andererseits die Zahl unterschiedlicher Versorgungsspannungsquellen zunimmt. So benötigt beispielsweise ein modernes Autoradio mit Navigation im Durchschnitt mehr als ein Dutzend verschiedene Versorgungsspannungen – drei- bis viermal so viele wie noch vor zehn Jahren.

Darüber hinaus müssen die Spannungsversorgungen im richtigen zeitlichen Ablauf ein- und ausgeschaltet werden, um die reibungslose Funktion des Gesamtsystems zu garantieren. Diese Ablaufsteuerung durch das Power-Management lässt sich aber auch dazu verwenden, einzelne Verbraucher vorübergehend abzuschalten, um wertvolle (Batterie-)Energie zu sparen. So lässt sich etwa die Tastaturbeleuchtung eines Mobiltelefons abschalten, sobald keine Eingabe mehr erfolgt. Diese Steuerung kann man sogar noch weiter optimieren, indem sie in Abhängigkeit von den Umgebungslichtverhältnissen erfolgt.

Millionen Tonnen Treibhausgas lassen sich einsparen

Nicht nur die erwünschte längere Betriebsdauer batteriegespeister Systeme, sondern auch steigende Energiepreise sowie energiepolitische Aspekte erzwingen den sparsamen Umgang mit Energie und somit auch die Erhöhung des Wirkungsgrads einer Stromversorgung. Externe Spannungswandler-Module für MP3-Spieler, PDAs, Camcorder, Digitalkameras, Laptops oder auch Schnurlos-telefone, die mit einem Energy-Star-Logo ausgezeichnet wurden, verbrauchen im Durchschnitt 35% weniger Energie als vergleichbare Modelle. Jedes Jahr werden mehr als 1 Mrd. solcher Spannungswandler-Module gefertigt. Ein durchschnittlicher Haushalt hat mehr als fünf Module in Gebrauch. Wären alle in den USA genutzten Module mit dem Enery-Star zertifiziert, dann könnten dadurch 5 Mrd. kWh an Energie eingespart oder vergleichsweise 4 Mio. t Treibhausgase jährlich vermieden werden.

Beispiel für einen solchen Energie sparenden Hightech-Baustein mit Zertifikat ist der LM5021 von National Semiconductor. Dabei handelt es sich um einen hocheffizienten AC/DC-PWM-Controller, der es aufgrund der integrierten Skip-, Burst- und Bias-Schaltungen ermöglicht, Single-ended-Sperr- und Durchflusswandler mit einem maximalen Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich zu entwickeln. Neben der Erfüllung der weltweit gültigen Energiesparvorschriften aufgrund der hohen Effizienz bei niedriger Ausgangsleistung erlaubt der LM5021 auch einen extrem kompakten Aufbau und bietet umfangreiche Schutzmechanismen wie eine zyklusweise Strombegrenzung und einen Hiccup-Mode-Überlastschutz.

Auch technische Neuerungen wie Hoch- strom-LEDs, die zunehmend in Auto-mobilen die konventionellen Brems- und Rückleuchten, Signalgeber und in naher Zukunft auch (Fern-)Scheinwerfer ersetzen, benötigen neue Power-Management-Konzepte. Während man herkömmliche Glühbirnen einfach an das Bordnetz angeschließen konnte, benö-tigen LEDs eine Konstantstromversorgung, um eine gleich bleibende Helligkeit und Farbtemperatur zu garantieren. Dies erfordert aufgrund der hohen Ströme Schaltregler. Dabei dürfen die unvermeidlich abgestrahlten elektromag- netischen Felder jedoch andere empfindliche Komponenten im Automobil, beispielsweise die Bluetooth-Verbindung des Telefons oder den Radio/GPS-Empfang, keinesfalls stören.

Darüber hinaus muss die Power-Management-Lösung Temperaturen von –40 bis 125 ºC (teilweise bis 150 ºC) aushalten.Diesen technischen Herausforderungen stehen dafür eine extrem verlängerte Lebensdauer der Leuchtmittel und der damit einhergehende Gewinn an Sicherheit im Straßenverkehr gegenüber. Auch die gestalterischen Freiräume beim Design von Leuchtensystemen werden aufgrund der verringerten Gesamtverlustleistung vergrößert und in den nächsten Jahren das Erscheinungsbild von Fahrzeugen wohl erheblich verändern.

Moderne Konzepte für das Power-Management

Auch Verkehrsampeln und Straßenbeleuchtungen dürften in der Zukunft aufgrund der verlängerten Lebensdauer zunehmend mit LEDs bestückt sein, was die Wartungs- und Servicekosten entscheidend reduziert. LED-Verkehrsampeln verbrauchen außerdem 90% weniger Energie, was bei einem 24-stündigen Einsatz an 365 Tagen eine enorme Energieeinsparung bedeutet. Nach Schätzung des Consortium for Energy Efficiency (CEE), ließen sich allein in den USA 3 Mrd. kWh einsparen, wenn alle Ampeln die LED-Technik nutzen. Über sieben Jahre Betriebszeit gerechnet reduziert eine LED-Ampel die Gesamtkosten einschließlich Anschaffungs- und Betriebskosten um über 60%! Außerdem wird geschätzt, dass LED-Ampeln aufgrund der besseren Sichtbarkeit bei Tageslicht das Unfallrisiko an Kreuzungen zwischen 25 und 40% senken. Bereits etablierte Märkte wie das LED-Blitzlicht in Mobiltelefonen und neue Anwendungen wie die LED-Hintergrundbeleuchtung von großformatigen LCD-Fernsehern zur Erzeugung eines satteren Farbspektrums, ließen den Markt für LEDs im Jahr 2005 auf über 5 Mrd. $ anwachsen.

Analog-IC-Hersteller unterstützen diesen Trend mit immer höher integrierteren Treiberlösungen. So stellt National Semiconductor mit seinen so genannten Lighting Management Units (LMUs) komplette Ein-Chip-Beleuchtungssysteme für Mobiltelefone zur Verfügung. Der LP3954 vereint beispielsweise die Stromversorgungen für die Beleuchtung von zwei Displays und die Ansteuerung zweier RGB-(Rot-Grün-Blau-)LEDs und einer Blitzlicht-LED in einem nur 3 mm × 3 mm × 0,6 mm kleinen Gehäuse. Diese weltweit kleinste Lösung bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die RGB-LEDs zur Frequenz oder Amplitude eines beliebigen Audiosignals, z.B. von dem im Mobiltelefon eingebauten MP3-Spieler oder FM-Radio, zu synchronisieren.

Batteriebetriebene Kommunikations-, Informations- und Unterhaltungsgeräte mit wachsender Zahl an Funktionen und der gleichzeitigen Erfordernis, besonders leicht und tragbar zu sein, erfordern ein besonders ausgeklügeltes Power-Management. Schließlich sollen keine größeren und schwereren wiederaufladbare Batterien verwendet werden müssen. Die Größe und damit Attraktivität des Marktes (im dritten Quartal 2005 wurden rd. 200 Mio. Mobiltelefone produziert) fördern stetige Innovationen. So haben beispielsweise der Weltmarktführer bei Power-Management-Bausteinen, National Semiconductor, und der führende IP-Anbieter, ARM Ltd., eine Allianz gebildet und die PowerWise-Technologie entwickelt.Konventionelle Energiesparkonzepte zielen im Prinzip darauf ab, die Taktfrequenz des zentralen Prozessors wann immer es möglich ist abzusenken.

Die Versorgungsspannung kann dann ebenfalls reduziert werden. Da der dynamische Energieverbrauch quadratisch von der Versorgungsspannung abhängt, lässt sich hierdurch die Zeit bis zur nächsten Batterieladung erheblich verlängern. Auch die verwendeten Stromver- sorgungen selbst haben aufgrund von speziellen Designs wie Synchrongleichrichtung einen hohen Wirkungsgrad von 90 bis 95% erreicht. Fast schien es, als wären jetzt nur noch marginale Verbesserungen möglich.

Spezielle Power-Lösungen für Portables

Gleichzeitig besitzt dieses herkömmliche Konzept aber entscheidende Schwächen. So muss etwa die Relation zwischen Rechnerleistung, also seiner Frequenz, und der Spannungsversorgung in einer aufwändigen Charakterisierung ermittelt werden. Darin müssen aufgrund von Prozess- und Temperaturschwankungen großzügige Toleranzen eingerechnet sein. Die Übertragung des ermittelten Spannungswertes an die Stromversorgung erfolgte schließlich auch noch häufig über proprietäre und lizenzpflichtige Interfaces. Beim PowerWise-Konzept ermittelt ein so genannter Adaptive Power Controller (APC) kontinuierlich die minimal zum Betrieb benötigte Spannung.

Weil der APC im Prozessor selbst integriert ist, kann er Störgrößen wie Prozessschwankungen und Temperatur direkt berücksichtigen. Die Charakterisierung und das Erstellen von Frequenz-Spannungstabellen entfällt somit. Im Grunde wird jedes einzelne System in Echtzeit automatisch charakterisiert. Toleranzen müssen nicht mehr berücksichtigt werden.Ein weiterer Vorteil ist, dass National Semiconductor das PowerWise-Interface (PWI) lizenzfrei zur Verfügung stellt, worüber der APC mit dem kürzlich am Markt eingeführten Power-Management-Baustein LP5550 (Bild 1 - siehe Heftseite) von National kommunizieren kann. In Abhängigkeit des Anwendungsprofils kann die Batterielaufzeit damit nochmals um 50% und mehr gesteigert werden. Über den InfoClick-Service der ELEKTRONIKPRAXIS präsentiert National Semiconductor auf seinen Webseiten umfangreiches Expertenwissen, das kostenlose Design-Werkzeug WEBENCH (Bild 2) inklusive elektrischer und thermischer Simulationen sowie eine umfassende Bibliothek von Referenz-Designs.

Mit dem Online-Design-Tool nur Tage anstatt Wochen

Mithilfe dieses Online-Design-Tools kann die Entwicklungszeit für eine Stromversorgung von Wochen auf Tage reduziert werden. In vier einfachen Schritten wird der Entwickler durch ein komplettes Design geführt. Zunächst werden mit einem automatisierten Selektionswerkzeug die für ein spezifisches System passenden aktiven und passiven Komponenten ausgewählt. Anschließend wird die erstellte Spannungsversorgung auf „Herz und Nieren“ virtuell geprüft. Dabei können Spannungs- und Stromverläufe über der Zeitachse graphisch dargestellt werden. Falls erforderlich, können bereits in diesem Stadium Komponenten ausgetauscht oder optimiert werden, um beispielsweise eine verbesserte Sprungantwort oder einen Soft-Start zu implementieren.

Mit der WebSIM-Funktion können abschließend z.B. Bode-Plots erstellt werden, die wichtige Hinweise auf die Stabilität eines Designs liefern. Insbesondere bei Power-Management-Designs ist natürlich eine Überprüfung der thermischen Verhältnisse unerlässlich. Mit WebTHERM, das in einer Partnerschaft zwischen National und Flomerics entwickelt wurde, ist es möglich, eine Falschfarben-Temperaturdarstellung des Aufbaus zu erzeugen. Damit werden Regionen, die im späteren Betrieb einen unzulässig hohen Temperaturanstieg verzeichnen würden, lokalisiert und können durch entsprechende Designmaßnahmen verbessert werden. Schaltungsentwürfe und fertig gestellte Designs lassen sich in einem passwortgesicherten Bereich zur späteren Verwendung speichern.

Besondere Ansprüche an das Power-Management stellen Telekommunikation, Netzwerke, Automotive und Industrie. Hohe Versorgungsspannungen, energiereiche Transienten, hohe Ströme und der stete Trend zu besseren Wirkungsgraden, höheren Leistungen pro Volumen und weniger Platz, verlangen nach speziell angepassten Prozessen, wie Nationals 100-V-Prozess ABCD150-HV (Analog Bipolar CMOS DMOS). Er integriert präzise Analogschaltungen, Logikfunktionen, Treiber und MOSFETs auf einem Chip. Die LM5000-Familie nutzt diesen Prozess nebst fortschrittlicher Gehäusetechnik und hat damit außergewöhnliche Lösungen geschaffen: Ende 2005 z.B. den industrieweit ersten integrierte 2,5-A-Abwärtsschaltregler für Eingangsspannungen von 7 bis 75 V.

Der LM5005 (Bild 3) mit integriertem N-Kanal-MOSFET regelt dabei die Ausgangsspannung auf einen einstellbaren Wert zwischen 1,225 und 65 V und braucht dazu nur wenige externe Komponenten. Basierend auf einer emulierten Current-Mode- Pulsweitenmodulation generiert ein proprietäres Regelverfahren intern eine emulierte Stromrampe der Induktivität, was die Immunität des Controllers gegenüber Störungen entscheidend verbessert.

Robert Fischer ist Product Marketing Manager Europe für Power-Management bei National Semiconductor, Fürstenfeldbruck.

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