Digitale Transformation Stromversorgung erkennt Anomalien selbstständig

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Während die Vor- und Nachteile der Digitalisierung in vielen Bereichen noch diskutiert werden, ist sie an anderen Stellen bereits vollzogen. Etwa dort, wo sich zahlreiche Varianten eines Produktes auf wenige digital parametrierbare Plattformen zurückführen lassen – oder wo sich durch die Digitalisierung neue und vorteilhafte Applikationen und damit Geschäftsmodelle ergeben, an die vor wenigen Jahren schlicht nicht zu denken war.

Ein Beispiel für eine Branche, die sich in den vergangenen Jahren stark digitalisiert hat, sind Stromversorgungen. Smarte Netze – von den unterschiedlichsten regenerativen Energieerzeugern bis hin zum Hausanschluss – funktionieren nicht ohne entsprechende Digitaltechnik für die Steuerung, Verbrauchserfassung und Optimierung der Netze. Ein weiteres Beispiel, das gerade beginnt, kräftig Fahrt aufzunehmen, ist die bi-direktionale Ladetechnik, bei welcher der Energiespeicher des Elektrofahrzeugs gleichzeitig als Speicher für die heimische Photovoltaik-Anlage dient.

Da sowohl in der Mobilität als auch in der Industrie zahlreiche Energie-Lieferanten wie -Verbraucher auf der Basis von Gleichstrom arbeiten, nimmt der DC/DC-Wandler in der Welt der Stromversorgungstechnik einen steigenden Stellenwert ein.

Bildergalerie

Vom Analogregler zum digital parametrierbaren DC/DC-Wandler

Für einfachere Aufgaben kommen an dieser Stelle bis heute analoge Wandler zum Einsatz. Das mag bei standardisierten Massenprodukten (noch) ausreichend sein. In der europäischen Industrielandschaft führt der rein analoge Ansatz allerdings über kurz oder lang dazu, dass zahlreiche Varianten des gleichen Produkts entstehen, die sich nur in Details unterscheiden. Das klassische Beispiel hierfür sind unterschiedliche Bestückungsvarianten für Widerstände und Kondensatoren, welche beispielsweise das Regelverhalten oder die Ausgangsspannung definieren. Um diesem Varianten-Wirrwarr zu entkommen, hat etwa Elec-Con schon 2021 einen digital konfigurierbaren DC/DC-Wandler vorgestellt (Bild 1). Die Hardware-Plattform der digital parametrierbaren, intelligenten Stromversorgungen – im Englischen digitally configurable, intelligent PSU, oder abgekürzt diPSU genannt- bleibt dabei immer gleich; das für die Applikation erforderliche, unterschiedliche Verhalten sowie weitere applikationsseitig benötigte Zusatzfunktionalitäten werden per Firmware eingestellt. Wie das Schaltungskonzept im Detail funktioniert, beschreibt [1] ausführlich.

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Unterschiedliche Applikationen benötigen jeweils ein anderes Verhalten der Stromversorgung (Bild 2). Je nach Parametrierung erfolgt das Ausregeln beispielsweise sehr schnell, wobei Überschwinger in Kauf genommen werden (grüne Kurve in Bild 2) oder vergleichsweise langsam, aber definiert ohne Überschwinger (violette Kurve in Bild 2). Das Prinzip dahinter sowie die Kenngrößen digital parametrierbarer Regelungen sind in [2] ausführlich beschrieben.

Vorteile digitalisierter Konzepte

Digitale konfigurierbare oder rein digitale Regelungen sind prinzipbedingt weniger anfällig für Toleranzen, Alterung und Temperaturgang analoger Bauteile. Zudem folgt ein digitaler Regler nicht den analogen Gesetzmäßigkeiten und ermöglicht damit Auslegungen, die in analoger Schaltungstechnik schlicht nicht oder nur mit erheblichem Aufwand realisierbar sind. Ein weiterer Vorteil dieser neuen Schaltungskonzepte sind die hohen Wirkungsgrade, die sich durchaus im Bereich zwischen 97 und 98 Prozent bewegen. Grund dafür sind vor allem der geringere Eigenverbrauch der Regelung sowie ein Betrieb näher am regelungstechnischen Optimum. Entsprechend können die kompakten diPSUs bis 70 °C Umgebungstemperatur eingesetzt werden; bis zu +40 °C ohne Anbindung an Kühlflächen und ohne Derating. Auch der MTBF tut die geringe Eigenerwärmung gut: Bei 80 Prozent Dauerlast liegt sie deutlich über 300.000 Stunden, also mehr als 34 Jahre Dauerbetrieb.

Einfacher Retrofit

Mit ihrem digital parametrierbaren und in weiten Grenzen einstellbaren Verhalten sind die DC/DC-Wandler der Baureihe diPSU prädestiniert für anspruchsvolle Aufgaben, etwa zur Versorgung von Industrie-Rechnern, Messgeräten oder Hochleistungs-Grafikkarten. Ein weiterer Vorteil für die Anwender: Die 120-W-Geräte nehmen nur den Bauraum einer halben ‘Tempopackung’ ein und haben den identischen Formfaktor ihrer analogen Pendants.

Zustandsdaten im Herzen der Stromversorgung abgreifen

Elec-Con geht mit seinen diPSUs einen ganz wesentlichen Schritt über die rein digitale Konfigurierbarkeit hinaus: Dank ihrer Prozessor-Intelligenz sind diPSUs in der Lage, bis zu 500 Mal in der Sekunde die aktuellen Betriebsdaten via I²C-Schnittstelle zu teilen, über ungewöhnliche Systemzustände zu informieren oder auch Fehlermeldungen zu übermitteln. Damit – beispielsweise im Entwicklungsprozess – die Daten einer diPSU bequem am PC verfolgt werden können, stellt Elec-Con auf seiner Website ein kostenloses Tool bereit.

Die Stromversorgung lernt Edge

Mit ihren Möglichkeiten bieten sich diPSUs für moderne Konzepte zur vorbeugenden Instandhaltung und zur Zustandsüberwachung an. Zusätzliche Sensoren sind nicht erforderlich. Dieser Ansatz ist auf den ersten Blick für viele Aufgabenstellungen sehr interessant. Die zentrale Schwierigkeit besteht allerdings darin, dass sich in der Industrie eigentlich niemand wirklich für die grüne Ampel an der Maschine interessiert – sie ist der erwünschte Normalzustand. Entsprechend wäre es an der einen oder anderen Stelle sicherlich wünschenswert, wenn die Stromversorgung nicht einfach einen Datenstrom an die übergeordnete Steuerung liefert, sondern wenn der DC/DC-Wandler im Sinne eines Edge-Ansatzes in der Lage wäre, Anomalien in der Stromaufnahme der Last zu erkennen und entsprechend Alarm zu schlagen.

Konzepte für mehr Rechenleistung in der Stromversorgung

Um diese Anforderung umsetzen zu können, ist ein deutlich leistungsfähigerer Chip in der Stromversorgung erforderlich – oder aber ein Mikrocontroller, dessen Architektur die zentrale Aufgabe proaktiv unterstützt, nämlich einen DC/DC-Wandler mit allen seinen Features sowie den erforderlichen Sicherheitsfunktionen darzustellen. Gerade als sich diese Überlegungen bei Elec-Con zu konkretisieren begannen, wurden die ersten CIP-Mikrocontroller von Microchip verfügbar. CIP steht dabei für ‘Core Independent Peripherals’, also für spezielle Hardware-Module, die direkt im Mikrocontroller integriert sind (Bild 3). Im Gegensatz zu traditionellen Peripheriegeräten, welche die CPU des Mikrocontrollers benötigen, um ihre Funktion zu erfüllen, arbeiten CIPs unabhängig und ohne direkte Intervention [3].

Analog und Digital in einer Regelung vereint

Bald erkannte das Passauer Unternehmen, dass sich durch diesen CIP-Ansatz der zentrale Zielkonflikt in der Regelungstechnik von Stromversorgungen lösen läßt: Während die analoge Steuerungstechnik seit Jahrzehnten bewährte Verfahren für schnelle Reaktionszeiten und hohe Präzision bietet, steht die digitale Steuerungstechnik für hohe Flexibilität, Skalierbarkeit und einfache Parametrierbarkeit. Das CIP-Konzept erlaubt es, digitale Komponenten in bewährte analoge Schaltungen zu integrieren (Bild 4). Damit war Elec-Con in der Lage, seine Jahrzehnte an Erfahrung in der Stromversorgungstechnik zu nutzen und gleichzeitig komplexe Algorithmen direkt in die CPU des Mikrocontrollers zu implementieren. Entsprechend sind alle diPSUs von Elec-Con in der Lage, sehr schnell und präzise zu reagieren, insbesondere in Anwendungen, in denen Millisekunden entscheidend sind.

Insgesamt betrachtet, ergeben sich durch CIP folgende deutliche Vorteile gegenüber bisherigen Schaltungskonzepten:

• Entlastung der Haupt-CPU: Die CIPs arbeiten bestimmte Aufgaben eigenständig ab. Die CPU wird dadurch entlastet und kann Rechenleistung für andere Aufgaben bereitstellen, beispielsweise eine Datenvorverarbeitung im Sinne eines Edge-Ansatzes.

• Gesteigerte Systemeffizienz: Werden Aufgaben in dafür optimierten Hardware-Funktionsblöcken ausgeführt, kann dies oft effizienter und schneller erfolgen, was insgesamt zu einer verbesserten Systemleistung führt. Ein Beispiel ist das Erkennen einer Überstrom-Situation durch einen einfachen Komparator.

• Flexibilität und Skalierbarkeit: CIPs arbeiten unabhängig von der CPU. Daher können sie flexibel konfiguriert und skaliert werden, um eine Vielzahl von Aufgaben in unterschiedlichen Anwendungen zu übernehmen.

• Energieeffizienz: Der Eigen-Energieverbrauch des Mikrocontrollers lässt sich deutlich reduzieren, da erheblich weniger CPU-Zyklen für periphere Aufgaben erforderlich sind. Das steigert die Effizienz und ist zudem ein gewichtiger Vorteil für mobile oder batteriebetriebene Anwendungen.

Buck-Boost-Wandler mit CIP

Ein Beispiel für das konsequente Nutzen der Möglichkeiten der CIP-Mikrocontroller ist die von Elec-Con völlig neu entwickelte Plattform von Buck-Boost-Wandlern mit smartem Umschaltverhalten (Bild 5). Konventionelle Konzepte haben große Schwierigkeiten damit, wenn die Eingangsspannung um die Ausgangsspannung pendelt, der Wandler also permanent zwischen Hochsetzen (Boost) und Tiefsetzen (Buck) umschalten muss.

Erkennen von Anomalien statt Liefern von Datenbergen

Ob Hybrid oder CIP: Alle modernen DC/DC-Wandler der diPSU-Produktfamilie von Elec-Con sind nicht nur digital konfigurierbar. Sie können die aktuellen Betriebsdaten, die sie für ihre Funktion intern benötigen, auch aktiv nach draußen kommunizieren. Dies eröffnet Anwendungsentwicklern völlig neue Horizonte. Denn allein die Auswertung der von den diPSU-Wandlern gelieferten Daten macht es möglich, unerwartete Betriebszustände zu erkennen und auch Hardwarefehler zu detektieren, ohne dass dafür zusätzliche Sensoren in die Applikation eingebaut werden müssen. Beispiele sind ein hoher Stromverbrauch eines IPC, der sich eigentlich im Standby befinden sollte; der kontinuierlich steigende Stromverbrauch eines Antriebs, ausgelöst durch ein sich der Verschleißgrenze nähernden Lager. Oder auch das Erkennen eines gebrochenen Lüfterrads der Zwangskühlung der Grafik-CPU in einem Hochleistungsrechner.

Erfolgreiche Forschungskooperation mit der regionalen Hochschule

Soll die Analyse von Betriebsdaten direkt in der Stromversorgung erfolgen, das Netzteil also sofort Alarm schlagen, wenn eine Anomalie auftritt, kommen Konzepte aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz sowie des maschinellen Lernens zum Einsatz. [3] beschreibt ausführlich, wie sich eine Anomalie-Erkennung mit Hilfe von ‘Tiny Machine Learning’ umsetzen lässt. Welche Möglichkeiten noch in dieser Technologie stecken und wie die DC/DC-Wandler der Zukunft aussehen könnten, erforscht Elec-Con in enger Zusammenarbeit mit der Technischen Hochschule Deggendorf (THD).

Fazit und Ausblick

Die modernen DC/DC-Wandler von Elec-Con (diPSU) können selbstständig Anomalien im Stromverbrauch der angeschlossenen Verbraucher erkennen. Das heißt im Klartext: Das Netzteil meldet sich selbstständig bei der Hauptsteuerung der Applikation und informiert diese, dass z.B. in einem 3D-Druckverfahren ein Fehler aufgetreten ist, der nicht mehr korrigiert werden kann. Oder dass das System beispielsweise von außen attackiert wird.

Die Möglichkeiten dieser Technologie sind noch so neu – und auch so weit von der Leistungsfähigkeit „einfacher Netzteile” entfernt – dass es derzeit schwerfällt, alle Anwendungsmöglichkeiten zu überblicken.

Gleichzeitig ist es für Entwickler keinesfalls einfach, diese bahnbrechende Technologie in konkreten Kundennutzen zu transformieren. Unterstützung gibt es durch entsprechende Kompetenzzentren an den Hochschulen. Eine besondere Rolle nimmt dabei das Projektlabor hardwarenahe Digitalisierung der Technischen Hochschule Deggendorf (THD) ein, weil es sich auf die Stromversorgungstechnik fokussiert. (tk)

Literatur:

[1] Böhmisch M., Federl A., Sulzinger M., Bauernfeind D., Stromversorgungen mit digital konfigurierbarer Regelung für Embedded-Systeme; Anwendungen / Grundlagen / Ausblick. Ivanov A., Bicker M., Patzelt P. (Hrsg.) (2022), Tagungsband zum 3. Symposium Elektronik und Systemintegration, Landshut, ISBN 978-3-9818439-7-2.

[2] Federl A., Böhmisch M., Zustandsüberwachung mit der Stromversorgung; Das Netzteil weiss fast alles. Elektronikpraxis 17/2022, S. 96-99, Würzburg, ISSN 0344-1733.

[3] Böhmisch M., Federl A., Tiny-ML-Mikrocontroller erkennen Anomalien; Digitalisierung im Mittelstand. Elektronik 15-16/2023 S. 26-31, Haar bei München, ISSN 0013-5658.

* Andreas Federl, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Lehrbeauftragter an der Fakultät Elektro- und Medientechnik der Technischen Hochschule Deggendorf.

* Markus Böhmisch, M. Sc., ist Entwicklungsingenieur bei der Elec-Con technology GmbH.

* Dipl.-Ing. Dieter Bauernfeind ist Gründer und Geschäftsführer der Elec-Con technology GmbH in Passau.

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