Fünf wichtige Trends im Power-Management

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CMOS-Schaltungen spielen in der digitalen Elektronik eine wichtige Rolle hinsichtlich Energieeffizienz. Farnell element14 informiert über aktuelle Lösungen für unterschiedliche Anwendungen.

Vor 50 Jahren präsentierte RCA die erste integrierte CMOS-Schaltung. Die Technik selbst hatte Fairchild erst fünf Jahre zuvor entwickelt: CMOS-ICs versprachen eine statische Leistungsentnahme „gegen Null“ bei nicht schaltenden Geräten und waren in Bezug auf die Leistung ein bedeutender Schritt in die richtige Richtung gegenüber ihren stromhungrigen N-MOS- und P-MOS-Vorgängern.

In den fünf Jahrzehnten, die seither vergangen sind, wurden immer mehr Rechen- und Signalverarbeitungsanwendungen mit immer größerer Energieeffizienz umgesetzt, während die Nachfrage nach von elektronischen und IT-Systemen bereitgestellten Leistungen exponentiell anstieg. Allein die Infrastruktur des Internets verbraucht heute schätzungsweise einen beachtlichen Anteil der gesamten auf dem Planeten erzeugten elektrischen Energie. All diese Energie muss gesteuert, umgewandelt, geregelt und gefiltert werden, bevor sie genutzt werden kann – und die elektronischen Geräte von heute sind da durchaus anspruchsvoll. 1968 hätten nur wenige Ingenieure Prozessoren für möglich gehalten, die bei Dutzenden Ampere eine Spannung von lediglich 0,9 V (±2%) erfordern.

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Mehr Effizienz bei geringerer Leistung

Stetig kommen neue Power-Management-Chips auf den Markt, die Entwicklern die Arbeit erleichtern sollen. Oft werden sie dabei von Online-Entwicklungstools unterstützt, die erste Erfolge ermöglichen. Auf der gesamten Leistungsskala, von Wearables und Energy-Harvesting-Designs mit einer Leistungsaufnahme im Milliwattbereich bis hin zu Netzteilen, die mit mehreren Kilowatt betrieben werden, ist mehr Effizienz ein Kernthema. Entwickler von Stromversorgungen für Unterhaltungselektronik haben das Ziel, Stromversorgungslösungen zu implementieren, die Verluste nicht nur bei der Bereitstellung ihrer Nennleistung, sondern auf allen Ebenen bis in den Standby-Zustand minimieren. Geltende Vorschriften sind heute die fünfte Version des Verhaltenskodex der Europäischen Union für Energieeffizienz externer Netzteile sowie der Energieeffizienzstandard Level VI des US-Energieministeriums. Beide wollen den Strom begrenzen, den Millionen angeschlossene, jedoch inaktive Stromversorgungslösungen verbrauchen.

Um dieser Anforderung gerecht zu werden, hat Texas Instruments einen neuen Controller-Chip entwickelt, der eine Standby-Leistungsaufnahme ermöglichen soll, die so niedrig wie nie zuvor ist. Die Controller dieser Generation, der UCC256301 und der UCC256303, basieren auf einer neuen LLC-Architektur (Spule-Spule-Kondensator). Es handelt sich dabei um einen Resonanz-Controller mit integriertem Hochspannungs-Gatetreiber, der bei voller Regelung der Systemleistung auf bis zu 40 mW Standby-Leistung oder 75 mW mit Blindstromkompensation (PFC) kommt. Das Modell -301 ermöglicht den Systemstart auch bei hohen Spannungswerten. Produkte, die die anspruchsvollsten Standby-Anforderungen bisher nur mithilfe einer separaten Low-Level-Standby-Stromversorgung erfüllen konnten, können nun einen zentralen AC/DC-Wandler verwenden.

Hybride Hysteresissteuerung auf dem Weg zu mehr Effizienz

Der LLC von TI baut auf der so genannten hybriden Hysteresissteuerung auf. Diese Lösung ist die neueste in einer langen Reihe von Architekturen und Schaltmodi, die im Hinblick auf höhere Effizienz untersucht wurden. Eine geringe Verlustleistung ist nicht das einzige Kriterium, das solche Controller erfüllen müssen. Lasten, die schnell von einem niedrigen zu einem hohen Leistungsbedarf wechseln, erfordern eine Stromversorgung mit einem schnellen Einschwingverhalten. Der Regler ist ein Breitbandverstärker mit einem festen Ausgangspegel und muss jederzeit stabil sein. Ein schnelles Einschwingverhalten und eine einfache Kompensation in Verbindung mit robusten Fehlerschutzfunktionen wie Zero-Current-Switching sorgen für einen zuverlässigen Betrieb.

Wearables verlangen nach kabellosen Lademöglichkeiten

Immer häufiger kommen Wearables zum Einsatz. Egal, ob sie für medizintechnische Anwendungen oder als Infotainment-Geräte eingesetzt werden – Geräte dieser Art sollten eine möglichst niedrige Leistungsaufnahme und Verlustleistung haben. Bauelemente für das Power-Management können diese speziellen Anforderungen erfüllen. Ein Beispiel ist die hochintegrierte und programmierbare Stromversorgungslösung der Baureihe MAX20303 von Maxim Integrated. Dieser Baustein bietet zahlreiche Funktionen und ist in einem kompakten Gehäuse mit den Maßen 3,71 mm x 4,21 mm untergebracht. Integriert sind leistungsoptimierte Spannungsregler, darunter auch mehrere Abwärts-, Aufwärts-, Abwärts/Aufwärts- und Linearregler.

Der Ruhestrom dieser Regler, die bis zu 220 mA bereitstellen, beträgt typ. 1 μA, was die Batterielebensdauer bei ständig eingeschalteten Anwendungen verlängert. Eine Batteriemanagement-Komplettlösung besteht aus einem Ladegerät, einem Power-Path-Controller sowie einem Ladezustandsmesser mit Batteriedichtung. Wärmemanagement und Eingangsschutz sind im Ladegerät integriert. Mit Funktionen, die über die eines Netzgeräts hinausgehen, verfügt der IC über einen programmierbaren Tastencontroller mit mehreren Eingängen für verschiedene Benutzeroberflächen. Drei integrierte LED-Stromsenken dienen zur Anzeige oder Hintergrundbeleuchtung, während ein Treiber mit automatischer Resonanzverfolgung haptisches Feedback an den Benutzer verwaltet.

Mit Produkten wie Wearables steigt die Nachfrage nach kabellosen Lademöglichkeiten. Nicht zum ersten Mal im Leben eines leistungsbezogenen Standards kommt es zu einer Leistungsanhebung noch während das Prinzip umgesetzt wird. Das Wireless Power Consortium (WPC) erhöht die Leistung für die Extended-Power-Version seines Qi-Standards ab sofort von 5 auf 15 W. ST Microelectronics unterstützt diesen Schritt mit dem Sende-Chip der Baureihe STWBC-EP für drahtlose Ladevorgänge. Er bietet Fremdobjekterkennungs- und Sicherheitsfunktionen bei einer möglichst geringen Standby-Leistungsaufnahme.

Der Chip hat einen Aufwärts-DC/DC-Wandler sowie einen Controller, wobei die Qi-Lade-Algorithmen bereits in der Firmware implementiert sind. So werden Eingangs- und Steuersignale für eine externe Halbbrücken-Endstufe erzeugt, welche die Sendeantenne für den Ladevorgang ansteuert. Ein Evaluationskit umfasst ein 15-W-Qi-MP-A10-Referenzdesign, einen 2-A-AC/DC-Adapter für 12 V, ein USB/UART-Dongle zum Anschluss an ein PC- und USB-Kabel sowie eine vorinstallierte Firmware. Für Apps, die kein Extended Power Profile benötigen, weist das zugehörige Evaluationskit der Produktreihe STWBC (mit der Produktreihe STWLC ist zudem ein passender Empfänger erhältlich) ein nach Qi 1.1.2 A11 zugelassenes Design mit 5 W auf, das mit Qi-fähigen Mobiltelefonen vollständig kompatibel ist.

USB-C ist auf dem Vormarsch

Die Bereitstellung von USB-C nimmt immer weiter zu – so drängen heute immer mehr Batterieladechips auf den Markt, die die Vorteile – eine höhere Leistungsfähigkeit und eine zentrale Verbindungsstelle – nutzen. Ein Beispiel dafür ist der Abwärts/Aufwärts-Spannungsregler der Baureihe ISL95338 von Intersil für alle Arten mobiler Geräte. Dieser Regler verwendet den reversiblen Typ-C-Stecker, ersetzt zwei Wandler und verfügt über einen bidirektionalen USB-PD3.0-Spannungsregler. Unter Verwendung von Gleichstromquellen wie AC/DC-Stromadaptern, USB-PD3.0-Ports, Reiseadaptern oder Reservemodulen liefert er eine geregelte Spannung von bis zu 24 V.

Der Baustein kann an seinem Netzadaptereingang zudem verschiedene Gleichstromquellen in geregelte 20 V umwandeln. Er kann im Abwärts-, im Aufwärts- und im Abwärts/Aufwärts-Modus betrieben werden und nutzt die R3-Modulation von Intersil. Diese verbindet die Pulsweitenmodulation (PWM) mit fester Frequenz und die Hysterese-PWM, um (wiederum) einen effizienten Betrieb bei niedriger Leistungsaufnahme in Kombination mit einem sehr schnellen Einschwingverhalten bereitzustellen. Designs können dem USB-PD3.0-Standard entsprechen, der eine schnelle Aufladung programmierbarer Stromversorgungslösungen (PPS) mit bidirektionalen Abwärts-, Aufwärts- oder Abwärts/Aufwärts-Modi mit 5 bis 20 V bietet.

Geringe Leistungsaufnahme im ausgeschalteten Zustand

Auch in Automotive-Applikationen wird eine möglichst kleine Leistungsaufnahme im Standby-Modus immer wichtiger. Die Anzahl der elektronischen Subsysteme in Fahrzeugen steigt und der gesamte Stromverbrauch beim Ausschalten der Zündung muss auf einem Niveau liegen, das die Fahrzeugbatterie über einen längeren Zeitraum nicht zu sehr belastet. Ein Beispielprodukt von On Semiconductors ist der Aufwärtscontroller der Baureihe NCV898032, der 2017 auf den Markt kam.

Dieser für Automotive-Anwendungen ausgelegte Controller treibt einen externen n-Kanal-MOSFET an, um verschiedene Lasten, z.B. die Beleuchtung in einem Fahrzeug, mit Strom zu versorgen. Er hat im ausgeschalteten Zustand eine geringe Leistungsaufnahme, da sein Ruhestrom deutlich unter 10 µA liegt. Mittels Spitzenstrommodus-Steuerung mit integrierter Steilheitskompensation bietet der Chip einen internen Regler, der dem Gatetreiber Strom zuführt. Sein Eingang ist für Spannungswerte von 3,2 bis 40 V sowie einen Load-Dump von 45 V ausgelegt. Der Controller mit einer einfachen Kompensation für stabilen Betrieb verfügt über mehrere integrierte Schutzfunktionen.

Bei der Spannungsregelung liegt der Fokus jedoch nicht ausschließlich auf Schaltdesigns. So gibt es viele Konfigurationen, bei denen sich ein linearer Regler besser eignet. Typische Szenarien sind die Stromversorgung von präzisen Analog/Digital-Wandlern oder verzerrungsarmen HF-Verstärkern, bei denen ein Rauschen der Stromversorgung nicht toleriert werden kann.

Der TPS7A39 von Texas Instruments ist speziell auf diese Anforderung zugeschnitten und eignet sich für zahlreiche Anwendungen. Dieser 150-mA-Regler stellt Positiv- und Negativspannungen für Bauelemente und Subsysteme bereit, die eine symmetrische, oder auch asymmetrische Versorgung beiderseits von Masse erfordern, z.B. D/A-Wandler und Operations- und Instrumentenverstärker. Die positiven und negativen Versorgungsspannungen sind individuell einstellbar und folgen einander während des Startvorgangs in einem konstanten Verhältnis bzw. die negative Spannung wird für Verstärker mit einer einzigen Stromversorgung auf 0 V eingestellt. Da das schaltbedingte und auch das sonstige Rauschen außerhalb der linearen Schaltung liegt, spezifiziert der Regler PSRR-Werte (Power-Supply-Rejection-Ratio) von über 50 dB bei bis zu 2 MHz und 69 dB bei 120 Hz.

Erst messen, dann regeln

Ein Grundprinzip bei der Entwicklung ist, dass ein Parameter zuerst gemessen werden muss, bevor er geregelt werden kann. Um dieses Prinzip etwa auf Laptops zu übertragen, zielt eine neue Entwicklung von Microchip darauf ab, die Messgenauigkeit in Produkten zu optimieren, die als Betriebssystem Windows 10 verwenden. Bemühungen, eine sehr genaue Überwachung des Energieverbrauchs in prozessorbasierenden Systemen zu erreichen, wurden vor allem durch den sich schnell verändernden Stromverbrauch beim Ein- und Ausschalten von Routinen und Anwendungen und beim Aufrufen von Peripheriegeräten erschwert.

Die enge Integration mit dem Betriebssystem bietet detailliertere Einblicke was die Zeitpunkte, zu denen Spitzen auftreten, anbelangt und ermöglicht eine präzisere Überwachung des Ladeflusses sowie eine optimierte Nutzung der Batteriekapazität. Der IC der Baureihe PAC1934 von Microchip enthält einen Softwaretreiber, der mit der im Betriebssystem Windows 10 integrierten Energy Estimation Engine (E3) kompatibel ist, um eine 99-prozentige Genauigkeit für alle Windows-10-Geräte mit Akkubetrieb sicherzustellen.

Die Kombination des PAC1934 und des Windows-10-Treibers mit dem E3-Service kann die Batterieleistungsaufnahme aus verschiedenen Softwareanwendungen um bis zu 29% verbessern. Der Chip erfasst Versorgungsspannungen zwischen 0 und 32 V. So kann er den Stromverbrauch von einfachen CPU-Tasks (Core Processing Unit) bis hin zu Software-Anwendungen auf Geräten, die über einen USB-Typ-C-Anschluss eingesteckt sind, präzise messen. Bidirektionale Messungen werden in USB-Typ-C-Aufladungstopologien angewendet, sobald sie auftauchen. Auch das Linux-Betriebssystem soll unterstützt werden.

Fazit: Der Artikel konnte nur einen sehr kleinen Teil zum immens breiten Thema Stromversorgungslösungen beleuchten. Ausgeklammert werden mussten etwa Themen wie die Integration bei höheren Spannungswerten oder neue Technologien zur Ansteuerung von Siliziumkarbid- und Galliumni­trid-Stromversorgungslösungen.

Mein grandioses Leben im Internet der Dinge

* Marc Schacherer ist Regional Sales Director, DACH bei Premier Farnell in Aschheim bei München.

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