Powermanagement-ICs Energie einsparen leicht gemacht

Die Rechtsvorschriften für Energieeffizienz werden zunehmend strenger, denn das IoT wird massenhaft neue Systeme ans Netz bringen. Für OEMs stellt sich die Frage: Wie kann ich diese Vorschriften erfüllen? Powermanagement-ICs unterstützen Entwickler, das Einsparziel zu erreichen. Ein Überblick.

von Mark Patrick, Supplier Marketing & Business Development Manager EMEA bei Mouser Electronics.

Die Anzahl der Geräte, die in den nächsten fünf Jahren ans Stromnetz gehen, könnte vor allem durch das Internet der Dinge ein beispielloses Wachstum erreichen. Doch mit den vorhandenen Stromversorgungen dürfte es schwierig werden, dieser Nachfrage nachzukommen, es sei denn, der Umgang mit Energie verändert sich grundlegend. Das steht im Einklang mit den weltweiten Bemühungen, Energie durch die Entwicklung energiesparender Produkte besser zu nutzen, festgelegt im G20-Aktionsplan für Energieeffizienz. Nationale Gesetzgebungen in ganz Europa sollen die Einhaltung der für 2020 gesetzten Ziele durchsetzen (dazu gehört auch eine Steigerung der Energieeffizienz um 20 %), weitere Gesetze und Verordnungen werden angestoßen. OEMs stehen dadurch unter Druck, die neuen Standards für Energieeffizienz zu erfüllen, was wiederum die Innovation bei den Halbleiterherstellern fördert.

Doch gerade das Internet der Dinge könnte eine entscheidende Rolle dabei spielen, dieser Ziele zu verwirklichen. Denn mit dem IoT kann man leichter regeln, wohin wieviel Energie fließt. Das reicht vom Gebäudemanagementsystem, das die Klimaanlage großer Gebäude aufgrund der Belegung steuert, bis hin zu Hauseigentümern, die Heizung und Licht mobil über ein »intelligentes« Gerät einstellen können. Konzeptionell lässt sich dieses Prinzip auf anderes Equipment wie Server übertragen, die zumindest zwischendurch einen Teil ihrer Laufzeit nützliche andere Aufgaben ausführen können. Um zusätzlich deutlich Kosten einzusparen, könnte der Ansatz der Start-Stopp-Technik in Fahrzeugen auch für elektronische Geräte genutzt werden.

Die Energieeffizienz-Richtlinie der EU wird voraussichtlich viele Produkte im IoT abdecken; die Millionen Schalter und Server, die eine Konnektivität zwischen all den Milliarden Knotenpunkten effektiv ermöglichen. Für die Knotenpunkte, die am Rande des IoT sitzen, gibt es momentan keine ausdrücklichen Gesetze. Geregelt ist jedoch der Strombedarf eines Gerätes im »Standby«- oder »Aus«-Modus, kürzlich ergänzt um eine Richtlinie, die ähnliche vernetzte Produkte umfasst (Energieeffizienz-Richtlinie EuP 2012/27/EU Teil 6 oder 26). Dies bedeutet: Je »intelligenter« Geräte sind, desto »intelligenter« müssen sie auch im Ruhezustand sein.

Über die Gesetzgebung hinaus

Wahrscheinlich werden auch im IoT weiterhin viele Geräte direkt oder indirekt über das Stromnetz versorgt. Abgesehen von der verlustbehafteten AC/DC-Wandlung gehen Energieverluste an Steckdosen auf das Konto derjenigen passiven Bauelemente der Stromversorgungen, die einen Entladungspfad für die eingangsseitigen EMV-Bauteile bieten, und so immer einen gewissen Leckstrom ziehen, solange das Gerät am Netz ist. Früher war dieser Verlust quasi unvermeidbar; ein Bauelement von Power Integrations kann sie jedoch auf Null reduzieren.

Das IC »CAP200DG« der »CAPZero-2«-Produktfamilie von Power Integrations wird parallel zum Wechselstromeingang der Stromversorgung platziert (Bild 1). Im Normalbetrieb blockiert es den Stromfluss durch die Sicherheits-Entladewiderstände R1 und R2 für die X-Kondensatoren. Dadurch sinkt der Verlust auf weniger als 5 mW; laut IEC 62301 Abschnitt 4.5 darf man eine derart geringe Standby-Leistung als Reduzierung auf Null bezeichnen. Wird das Gerät von der Netzspannung getrennt, stellt das IC den Pfad durch die Widerstände her. Dadurch werden die X-Kondensatoren vollständig entladen, sogar unter die Werte der Sicherheitskleinspannung (SELV, Safety Extra Low Voltage). Das heißt, der CAP200DG eignet sich auch für Applikationen mit Eingangsspannung von 18 V(AC).

Weniger als 0,5 W im Standby zu erreichen, wie in der EuP-Richtlinie Teil 6 definiert, unterstützt auch ein Sortiment an Schaltreglern führender Hersteller. Normalerweise enthalten diese Regler eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Factor Correction) und können mit weiteren Leistungsmerkmalen punkten. Ein Beispiel ist das Multichip-IC »TEA1716T« von NXP, das einen diskreten MOSFET für die PFC-Stufe sowie zwei diskrete Leistungs-MOSFETs in einer resonanten Halbbrückenkonfiguration ansteuern kann (Bild 2). Das IC, es braucht nur wenige externe Komponenten, zielt auf Stromversorgung für 90 W bis 500 W und eine Netzspannung von 70 V bis 276 V. Sowohl die PFC- als auch die Halbbrückenregelung des TEA1716T können im Burstmodus arbeiten, um die Effizienz bei niedriger Last zu optimieren.

Die Halbbrücke wandelt die Zwischenkreisspannung (400 V) am Ausgang der PFC-Stufe in eine oder mehrere regulierte Gleichspannungen. Bestandteile des Schwingkreises sind ein Transformator mit Streu- und Hauptinduktivität sowie der Zwischenkreiskondensator und die Last am Ausgang. Das Bauteil nutzt ein adaptives, nicht-überlappendes Timing, um die Effizienz zu steigern, sodass es den Anforderungen der EuP-Richtlinie Teil 6 entspricht. Selbst bei Störungen ist sicheres Schalten garantiert. Weitere Sicherheitsfeatures sind der Hochfrequenzschutz, der vor den Folgen eines abgetrennten Transformators schützt, sowie die Überstromregulierung und -sicherung. Insgesamt sind 19 Schutzfunktionen im TEA1716T enthalten.