Power Management Design: Lösungsoptionen für sechs fundamentale Herausforderungen

 

Bei der Realisierung komplexer elektronischer Endsysteme wird zuerst nur an die Bereitstellung von Spannung und Strom gedacht und erst danach der Fokus auf das Power Management Design gelegt. Dieser Teil des Designs ist unverzichtbar, denn nur dadurch ist ein elektronisches System überhaupt ablauffähig.

 

Bei allen elektronischen Endsystemen bestehen entscheidende Abhängigkeiten zwischen der Umwandlung von Signalen und einem sicheren, zuverlässigen Power Management Design. Sechs fundamentale Herausforderungen und mögliche Lösungsoptionen in diesem Bereich nennt Fairchild.


1. Betrachtung von Worst-Case-Szenarien

Basis für die Konzeption energieeffizienter Designs ist die Betrachtung von Worst-Case-Szenarien bei der Verlustleistung. Dabei gibt es mehrere systembezogene Kriterien, die im Hinblick auf ein energieeffizienteres Power Management Design berücksichtigt werden müssen. Sind zum Beispiel Einschränkungen bei der Baugröße vorhanden, hängt das Erreichen einer bestimmten Output-Leistung pro Platzeinheit (das heißt Watt pro Fläche oder Watt pro Volumen) von mehreren Faktoren ab: unter anderem von den Methoden zur Kühlung des Systems, der Verlustleistung und der Effizienz auf jeder Power Conversion Stage (Wandlerstufe). Was kann der Entwickler dabei im Hinblick auf ein energieeffizienteres Power Management System beeinflussen? Normalerweise sind der verfügbare Platz durch die Bauform und die Methoden für die Systemkühlung festgelegt. Designflexibilität besteht hingegen bezüglich der Effizienz auf den Wandlerstufen.

 

Die folgenden zwei Power-Conversion-Stage-Beispiele zeigen die Möglichkeiten von Verbesserungen im Bereich der Verlustleistung auf, die zu einer höheren Effizienz führen. Abbildung 1 und 2 stellen ein automatisches Design einem manuell optimierten Design für isolierte AC/DC-Step-Down-Konverter gegenüber. Abbildung 3 und 4 zeigen die Unterschiede in System- und Architektur-Umgebungen für nicht isolierte DC/DC-Step-Down-Converter. Wird bei der Stage-1-Conversion ein isolierter Step-Down-Converter eingesetzt, zählen zu den zentralen Komponenten, die die Verlustleistung verursachen, Transformator, MOSFET und auch Snubber. Die Optimierung dieser Elemente kann die Effizienz in den Systemen um mehr als zwei Prozent verbessern und die Verlustleistung um mehr als 14 Prozent reduzieren. Die Komponenten, die bei der Stage-2-Conversion mit einem nicht isolierten integrierten MOSFET-Step-Down-Konverter vor allem Verluste verursachen, sind die MOSFETs und der Output-Induktor bei hoher Last. Wenn die Eingangsspannung mehr als das Doppelte der Ausgangsspannung beträgt, empfiehlt sich eine asymmetrische Kombination integrierter MOSFETs zur Reduzierung der Verlustleistung und Verbesserung der Effizienz. Zu beachten ist auch, dass die Frequenz, das Verhältnis von Ausgangs- und Eingangsspannung und die Induktivität Auswirkungen auf den Betriebsmodus (DCM/CCM) des Controllers haben. Die Optimierung des Betriebsmodus mit einer Veränderung der Output- und Input-Betriebsbedingungen wie der Eingangsspannung kann die DCM-Effizienz um drei Prozent verbessern und die Verlustleistung um 20 Prozent verringern. Die Abbildungen 3 und 4 vergleichen die Verlustleistung und Effizienz im Hinblick auf 12-V- und 14,4-V-Inputs.

Abbildung 1: Auto-Design (Universal Line Input 5 V, 2 A Flyback Converter), (Quelle: Fairchild, zum Vergrößern in das Bild klicken)
Abbildung 2: Step-by-Step Design (Universal Line Input 5 V, 2 A Flyback Converter), (Quelle: Fairchild, zum Vergrößern in das Bild klicken)
Abbildung 3.1: (1,2 Vout, 5 A, 300 kHz, 2,7 µH) 12 V Input versus 14,4 V Input, (Quelle: Fairchild, zum Vergrößern in das Bild klicken)
Abbildung 3.2 (Quelle: Fairchild, zum Vergrößern in das Bild klicken)
Abbildung 4.1: (1,2 Vout, 5 A, 300 kHz, 2,7 µH) 12 V Input versus 14,4 V Input, (Quelle: Fairchild, zum Vergrößern in das Bild klicken)
Abbildung 4.2 (Quelle: Fairchild, zum Vergrößern in das Bild klicken)

2. Bereitstellung systemunterstützender Stromversorgung

Die Bereitstellung einer systemunterstützenden Stromversorgung erfordert eine hohe System- und Komponentenkompatibilität. Das Beseitigen von „Lücken“ zwischen Schnittstellen ist dabei ein zentraler Punkt. Das heißt, es sind Komponenten zu verwenden, die über Standards für die Kommunikation verfügen. Als neueste Kommunikationsverbindung auf Systemebene zum Beispiel ist hier der Power Management Bus (PMBus) zu nennen, der auf dem Industriestandard-Interface SMBus basiert. Der PMBus unterstützt die Kommunikation mit Power-Konvertern und anderen Komponenten in einem Stromversorgungssystem. Er bietet Flexibilität im Hinblick auf unterschiedliche (analoge und digitale) Kommunikationstechnologien und ermöglicht zum Beispiel zudem die Programmierung und Echtzeitüberwachung von Standard-konformen Power-Conversion-Produkten. Insgesamt vereinfachen systemunterstützende Stromversorgungsstandards die Kommunikation zwischen Technologien erheblich.

 

3. Beachtung der Total-Cost-of-Ownership

Die Reduzierung der Total-Cost-of-Ownership hilft, dass ein Produkt wettbewerbsfähig bleibt. Vielfach werden von Unternehmen aber nur die reinen Materialkosten einer Lösung betrachtet. Allerdings sind sie nur die eine Seite der Medaille. Ist eine Lösung kostengünstiger als eine andere, müssen zusätzlich zu den Kosteneinsparungen die sonstigen erforderlichen Ressourcen-Aufwände betrachtet werden. Das heißt, in welchem Umfang sind interne und externe Ressourcen für das Engineering, die Fertigung oder Tests erforderlich? Ein aufwändiger Ressourcen-Einsatz ergibt sich gerade bei der Nutzung von Lösungskomponenten unterschiedlicher Hersteller oder einer hohen Fertigungs- und Design-Komplexität (zum Beispiel im Hinblick auf eine manuelle Komponentenintegration im Fertigungsprozess). Halbleiter-Hersteller, die Power-Management-Lösungen bereitstellen, können hier einen Beitrag zu einer Vereinfachung und zu einem minimierten Ressourcen-Einsatz leisten: zum Beispiel mit Komponenten mit reduzierter Pin-Anzahl zur Verringerung der Design-Komplexität, mit der Nutzung einer Lösung, die nur Oberflächen-bestückte Komponenten zur Vereinfachung der Fertigung verwendet, und mit der Eliminierung von Elektrolytkondensatoren zur Verlängerung der Design-Lebensdauer.

 

4. Reduzierung der Time-to-Market

Eine schnelle Reaktion auf sich ändernde Markttrends ist unverzichtbar, um Wettbewerbsvorteile zu erzielen. Systeme benötigen mehrere Spannungs-Rails, um die Vorteile von Verbesserungen bei Mikrocontrollern, Chipsätzen und Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) vollständig ausschöpfen zu können. Wie kann ein Ingenieur dabei frühere Designs nutzen? Das Kopieren eines Sub-Circuits, der Teil eines vorhergehenden Produktionsdesigns ist, ist ein gängiger Weg, um Risiken zu minimieren und die Time-to-Market zu reduzieren. Einige Online-Tools mit Referenz-Circuits stehen ebenfalls zur Verfügung. Werden solche Möglichkeiten genutzt, können Iterationen minimiert und die erforderliche Zeit für die Prototypen-Erstellung verkürzt werden. Nicht zuletzt kann auch eine Reduzierung der Anzahl der Hersteller bei der Konzeption eines Systems zu einer Vereinfachung der Lösung und damit zu einer kürzeren Time-to-Market beitragen.

 

5. Nutzung kompakter Lösungen mit hoher Leistungsdichte

Bei der Lösungskonzeption sind Aspekte wie Einschränkungen hinsichtlich Höhe, Fläche und Volumen des Systems zu berücksichtigen. Diskrete Leistungshalbleiter, Induktoren, Kondensatoren und Transformatoren sind dabei die Komponenten, denen im Hinblick auf die Realisierung einer größeren Leistungsdichte eine besondere Bedeutung zukommt. Bei den Leistungshalbleitern und Package-Technologien sind bereits Höhen-, Flächen- und Volumen-Reduzierungen bei einer gleichzeitigen Verbesserung der Leistungsdichte realisiert worden. Auch bei Power-Management-ICs konnten hinsichtlich einer größeren Leistungsdichte platzraubende Elektrolytkondensatoren eliminiert und durch Multi-Layered Ceramic Capacitors (MLCC) ersetzt werden. Allerdings ist zu beachten, dass es bei Power-Management-Lösungen nicht nur um Optimierungen bei einzelnen Teilen geht, sondern auch um Layout und Bauart für unterschiedliche Silicon-Technologien innerhalb eines Packages, um ein kompaktes PCB-Layout der gesamten Lösung zu ermöglichen. Das heißt, ein schlankes und kompaktes Produkt mit hoher Leistungsdichte basiert immer auf einer Kombination von diskreten Leistungshalbleitern, Power-Management-ICs und Packaging-Technologien.


6. EMV-Prüfung

Die Beachtung der genannten Anforderungen für das Power Management Design ist aber nicht ausreichend. Ebenso wichtig für die kommerzielle Einsatzfähigkeit eines Produktes ist die Erfüllung von Energieeffizienz-Standards. Zu beachten ist auch, dass Switched-Mode-Power-Management-Lösungen per se elektromagnetische Störausstrahlungen verursachen, die zu unerwünschten Interferenzen bei störungsempfindlichen Komponenten und Funktionen innerhalb des Systems führen können. Deshalb müssen ergänzend zu Effizienztests auch EMV-Tests durchgeführt werden, die zum Beispiel den normierten CISPR-Störungs-Messmethoden entsprechen. Auch wenn das Thema Power Management Design erst in einer späteren Phase des Produktdesign-Zyklus relevant ist, ist seine Bedeutung doch offensichtlich. Die zentrale Aufgabe besteht darin, die Realisierung komplexer elektronischer Endsysteme und Technologien zu unterstützen. Ein Halbleiter-Hersteller, der Power-Management-Lösungen bereitstellt, ist dabei mehr als der Lieferant einer Basiskomponente. Er kann Lösungen anbieten, mit denen die komplexen Anforderungen an das Power Management Design adäquat abgedeckt werden können.

 

www.fairchildsemi.com

 

 

 


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