Den Wirkungsgrad verbessern - All

INDUSTRIEELEKTRONIK
Power-Management auf Systemebene
Den Wirkungsgrad
verbessern
Beim Power-Management auf der System-Ebene besteht noch großes Optimierungs-Potential in punkto Kosten, Funktions-Qualität,Wirkungsgrad,
Baugröße, Aufwand etc. Dieser Artikel erleichtert den Einstieg in das Thema und beantwortet einige Fragen aus der Welt des Power-Management.
Datenblätter von Power-ManagementICs bieten ausführliche Hinweise zu Aufbau und Funktionsweise eines Spannungswandlers.In komplexeren Systemen
ist es jedoch häufig notwendig, viele
Stromversorgungs-Lösungen zusammen
zu implementieren. Für das korrekte Zusammenspiel dieser Systeme gibt viele
Möglichkeiten wie beispielsweise sequentielles Anlaufen, das Betreiben mit
Phasenversatz, um weniger elektromagnetische Störungen (EMI) zu verursachen, sowie das Abschalten von einzelnen Spannungen,um die Stromaufnahme
zu senken.
sche Interferenzen oder gar Funktionsstörungen hervorrufen können. Hier ist
eine genaue Gesamtplanung des Systems sowie besondere Sorgfalt bei der
Erstellung des Layouts erforderlich. Dieser Beitrag erläutert die prinzipiellen
Probleme beim Aufbau derartiger Stromversorgungs-Systeme und erklärt, wie
man diese Probleme anpackt und die
Herausforderungen meistert.
Topologien zur Stromversorgung
Für ein typisches System mit vier notwendigen Spannungen bestehen unterschiedliche topologische Möglichkeiten.
In Bild 1 sind die beiden
Hauptkonzepte dargestellt.
Oben die rein parallele Möglichkeit, bei der alle Spannungen direkt von der Eingangsspannung erzeugt
werden. Die einzelnen
Blöcke stellen DC/DC-Wandler dar, die Schaltregler (Aufwärts- oder Abwärts-Wandlung der Spannung) oder
Bild 1: Topologien zur Stromversorgung: paralleles Konzept auch Längsregler (Spannungswandlung nur ab(oben) und serielles Konzept (unten).
wärts) sein können. Bei dieNeben diesen Möglichkeiten gibt es aber
sem Konzept liegt der Vorteil in der
auch potentielle Probleme mit Schaltdirekten freien Ansteuerbarkeit jeder
reglern untereinander sowie im Zusameinzelnen Spannung sowie im jeweils
menspiel mit kompakten DC/DC-Wandnur von der individuellen Stufe abhänlern (Bricks) auf einer Platine. Durch die
gigen Wirkungsgrad.
Schaltfrequenzen kann es zu ÜberlageDer untere Teil von Bild 1 zeigt die serielle
rungen kommen, die elektromagnetiVariante. Hier muss der Wirkungsgrad
jeder einzelnen Folgestufe (Vout2, Vout3
˘ AUTOR
und Vout4) mit dem Wirkungsgrad der
Frederik Dostal arbeitet als Field
jeweils vorherigen Stufen multipliziert
Applications Engineer Central
werde. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad.
Europe Sales bei der National
Auch ist jede Folgespannung erst verSemiconductor GmbH in
fügbar, wenn die vorherige Spannung
Fürstenfeldbruck bei München.
ihren Wert erreicht hat. Der große ˘
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Vorteil einer seriellen Lösung liegt darin,
dass die Spannungs-Differenzen zwischen
Vin und Vout in aller Regel kleiner sind, so
dass in vielen Fällen Linearregler eingesetzt werden können. Außerdem müssen
möglicherweise vorkommende Eingangsspannungs-Transienten nur bei der Auslegung der ersten Stufe berücksichtigt
werden. In der Realität sind die meisten Systeme eine Mischung aus parallelen und
seriellen Stufen und stellen ein Optimum
in punkto Wirkungsgrad, Aufwand, Kosten
und Platzbedarf dar.
Eine besonders interessante Mischlösung
ist eine proportionale Spannungs-Vorbearbeitung wie sie in Bild 2 zu sehen ist.
Diese Ausführung wird als IBC (Intermediate
Bus Converter) bezeichnet. Ein solcher
Wandler arbeitet ohne Regelschleife und
stellt keine feste Ausgangsspannung ein.
Die Ausgangsspannung verhält sich proportional zur Eingangsspannung, ist aber
um einen eingestellten Faktor nach unten gewandelt. Speziell beim Einsatz von
auf Transformatoren basierenden DC/DCWandlern kann eine besonders effiziente
und kostengünstige Schaltung aufgebaut
werden. Die somit generierte und noch
ungeregelte Zwischenspannung kann dann
von einzelnen Endreglern („Point of Load“Reglern) auf die jeweiligen Sollspannungen
gebracht werden.
Vorteile einer solchen Vorgehensweise
sind der relativ hohe Wirkungsgrad der
IBC-Stufe sowie die Kosten-Ersparnis durch
Bild 2: Proportionale Spannungs-Vorbearbeitung per IBC (Intermediate Bus Converter).
Bild 3: Einfluss der Schaltfrequenz verschiedener Schaltregler.
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kungsgrad von 81 % erzielen.
Energie-Einsparung
Der Wirkungsgrad jeder
DC/DC-Wandlerstufe ist abhängig von der Topologie
(Buck, Boost, LDO etc.), der
Auswahl der externen Komponenten sowie den Eigenschaften des eigentlichen
Regler-ICs (beispielsweise
niedrige Eigenstrom-Aufnahme oder niedriger Innenwiderstand des SchaltBild 4: Ergebnis einer thermischen Simulation mit dem Tool
Transistors). Möglichkeiten
Webtherm von National Semiconductor.
der Energie-Einsparung auf
Systemebene bieten sich, wenn einzelne
den Einsatz von DC/DC-Wandlern in den FolSpannungen kurzzeitig nicht benötigt wergestufen, welche nun nicht mehr für die
den und der DC/DC-Wandler abgeschaltet
volle Eingangsspannung ausgelegt werwerden kann.Die meisten Regler-ICs benötiden müssen. Neben den Regler-ICs wird
gen in abgeschaltetem Zustand nur wenige
auch an externen Komponenten wie zum
Micro-Ampere Strom. Eine parallele TopoBeispiel Eingangskapazitäten durch die
logie wie in Bild 1 oben eignet sich hierfür
niedrigere Maximalspannung gespart. Ein
hervorragend. Bei einer seriellen Topologie
DC/DC-IBC-Regler ist beispielsweise der
können Zwischenspannungen wie zum
LM5033 von National Semiconductor. Ein
Beispiel DC/DC 1 bis 3 nicht abgeschaltet
anderes Beispiel für eine solche Stufe ist ein
werden, wenn DC/DC 4 aktiv sein soll. Sovon einer Netzwechselspannung gespeister
mit kann man hier wenig Energie durch geTransformator, dessen Sekundärspannung
zieltes Abschalten einsparen.
mittels Dioden gleichgerichtet wird.
Wirkungsgrade der Topologien
Für einen Vergleich des Wirkungsgrads der
unterschiedlichen Konzepte wird in folgendem Beispiel angenommen, dass die
einzelnen DC/DC-Stufen jeweils den
gleichen Wirkungsgrad sowie bei jeder geforderten Spannung den gleichen Leistungsbedarf aufweisen, so dass kleinere
Spannungen somit größere Ströme zur
Folge haben. Bei einem Wirkungsgrad von
90% einer jeden Wandlerstufe kommt man
bei den Stufen der seriellen Schaltung auf
90 %, 81 %, 73 % und nur 66 % GesamtWirkungsgrad der letzten Stufe. Bei der
parallelen Topologie entspricht die Gesamt-Wirkungsgrad dem jeweiligen EinzelWirkungsgrad von 90 %.
Ein guter Wirkungsgrad kostet im Allgemeinen Geld. In den meisten Anwendungen kann durch höhere Kosten ein
höherer Wirkungsgrad erkauft werden.
Besonders hier kann das IBC-Konzept unter Umständen der Gewinner sein. Relativ
günstig kann man hier einen Gesamt-Wir-
Mehrere Schaltregler
in einem Design
Mehrere Schaltregler auf einer Platine beeinflussen sich auf unterschiedliche Weise. Bild 3 zeigt eine Schaltung mit einem
Simple Switcher der dritten Generation
des Typs LM2675 mit 260 kHz Schaltfrequenz und einem Simple Switcher der
zweiten Generation des Typs LM2596. In einer solchen Schaltung werden von einer
ungeregelten Eingangsspannung zwischen
10 V und 20 V zwei Ausgangsspannungen
(5 V und 3,3 V) erzeugt. Die beiden Schaltregler beeinflussen sich gegenseitig:
1. Die Welligkeit der Ausgangsspannung
eines DC/DC-Wandlers entspricht in
ihrem periodischen Verhalten gewöhnlich der Schaltfrequenz. Bei Messung der Ausgangsspannung des
Schaltreglers mit 150 kHz Schaltfrequenz am Ausgang ist jedoch auch
noch die Welligkeit des Reglers mit
260 kHz Schaltfrequenz am Ausgang
zu sehen.
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KOMPAKT
2. Das Frequenzspektrum der Ausgangsspannung des LM2596 zeigt
neben den 150 kHz der eigenen Schaltfrequenz noch starke Anteile der
260 kHz und dazu harmonischen Frequenzen.
3. Wenn die Spannung am Schaltknoten eines Reglers betrachtet wird,
kann man ein leichtes Springen der
Flanken erkennen, wie es gewöhnlich
bei Instabilität der Fall ist. Dies kann
soweit gehen, dass die Funktion eines Schaltreglers stark beeinträchtigt wird.
4. Wenn ein Last-Transient an der Ausgangsspannung von einem der beiden Regler auftritt, zeigen sich auf
der Ausgangsspannung des anderen Reglers Auswirkungen.
Um diese durch unterschiedliche Schaltfrequenzen der Schaltregler verursachten Effekte zu vermeiden liegt die
Schlussfolgerung nahe, dass beim Einsatz
von Schaltreglern mit der gleichen Frequenz diese Probleme nicht mehr bestünden. Da jedoch zwei Bausteine selbst
vom gleichen Hersteller nie mit exakt
der selben Frequenz arbeiten, bekommt
man hier FrequenzüberlagerungsEffekte, die besonders zwischen zwei
sehr ähnlichen Frequenzen zu einem niederfrequenten Schwingen führen, so
dass es zu einem hörbaren Summen
kommen kann.
Die Lösung
Zum einen sollte man die einzelnen
DC/DC-Wandler mit einem guten Layout versehen, die Schaltungen räumlich
trennen sowie auf getrennte Masse-Bahnen zurückgreifen, welche zwar miteinander verbunden werden, dies aber möglicherweise nur an einem Punkt.
Ebenfalls kann es nötig sein, die Eingänge der jeweiligen Regler mit FilterDrosseln zu säubern. Die zusätzliche
Spule am Eingang stellt in Verbindung
mit der Eingangskapazität des Reglers
einen LC-Filter dar. Die Polfrequenz
dieses Filters ergibt sich nach folgender
Formel:
2π
Nach einigen Iterationen kann man in
der Regel auftretende Probleme lösen.Um
einen solchen iterativen Prozess zu umgehen empfiehlt es sich, auf DC/DCWandler zurückzugreifen, die miteinander synchronisierbar sind. Ein Beispiel
hierfür ist der LM5642 von National Semiconductor.
Thermische Gesichtspunkte
Die thermischen Gesichtspunkte eines
Systems hängen erwartungsgemäß
stark von den vorangegangenen Wirkungsgrad-Überlegungen ab. Bei Schaltreglern ist es empfehlenswert, ICs
einzusetzen, die mit externen SchaltTransistoren arbeiten. Hier wird die
Verlustleistung der Leistungs-Transistoren vom Regler-IC abgekoppelt. Im
Allgemeinen ist es thermisch betrachtet am besten, wenn die einzelnen
Bauteile einer DC/DC-Schaltung so
weit wie möglich voneinander getrennt
sind.
Elektrisch betrachtet müssten die
Komponenten einer DC/DC-Schaltung
jedoch so nahe wie möglich beieinander liegen. Dieser Interessenkonflikt
zwingt zu Kompromissen. Ein sehr nützliches Werkzeug zur Beantwortung
von thermischen Fragen ist das OnlineSimulationstool Webtherm von National Semiconductor, das kostenfrei genutzt werden kann.
(av)
˙
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National Semiconductor
1
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Dieser Beitrag erläutert die prinzipiellen
Probleme beim Aufbau von Stromversorgungs-Systemen und gibt Hinweise
für die Praxis der Entwickler. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung des Wirkungsgrads.
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Kennz. 311
www.national.com
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