Digitales Powermanagement und Energieeffizienz

Die Akzeptanz der Digitalsteuerung im Bereich Powermanagement entwickelte sich aufgrund mehrerer Faktoren sehr zögerlich. Hierzu zählen die Kosten, die Infrastruktur sowie die ineffektive Darstellung des Zusatznutzens. Ein besseres Verständnis der Vor- und Nachteile der Schaltungsimplementierung könnte dem maximalen Wert der neu verfügbaren Eigenschaften die richtige Geltung verschaffen.

Die Akzeptanz der Digitalsteuerung im Bereich Powermanagement entwickelte sich aufgrund mehrerer Faktoren sehr zögerlich. Hierzu zählen die Kosten, die Infrastruktur sowie die ineffektive Darstellung des Zusatznutzens. Ein besseres Verständnis der Vor- und Nachteile der Schaltungsimplementierung könnte dem maximalen Wert der neu verfügbaren Eigenschaften die richtige Geltung verschaffen.

Harte Spezifikationen und weiche Faktoren

Für die digitale Implementierung des Powermanagements werden zahlreiche Vorteile genannt:

  • nichtlineare Steuerung zur Optimierung sowohl eines Dauer- als auch eines transienten Übergangs,
  • System-Konfigurierbarkeit für unterschiedliche Betriebsbedingungen,
  • Selbstabgleich und Adaption des Systems zur Kompensation der Abweichungen analoger Komponenten,
  • intelligente Interaktionsmöglichkeiten mit der Leistungsübertragung zur komplexen Optimierung des Wirkungsgrads und anderer Leistungsparameter,
  • Programmierbarkeit und Selbstkalibrierung,
  • verbesserte Zuverlässigkeit und
  • Kommunikation, Überwachung und Diagnostik.

Nur in wenigen Applikationen haben die oben angeführten Eigenschaften wirklich handfeste Vorteile für den Kunden. In allen anderen Fällen fallen diese Merkmale in die Kategorie der weichen Faktoren. Mit anderen Worten: Die Einkaufsabteilung kann mit diesen Angaben nur schwerlich etwas anfangen. Bei den meisten Applikationen orientieren sich die Kunden immer noch an Qualität und Effizienz der Leistungsübertragung an die Last, die zum großen Teil von der Leistungsstufe – dem so genannten „Power Train“ – und zum geringeren Teil von der Implementierung der Regelschleife bestimmt werden. Diese Tatsache, gekoppelt mit dem unscheinbaren Gütefaktor Kosten pro Leistung für digitale Implementierungen, half leider nicht, den zusätzlichen Aufwand an Komplexität für die Verbindung zur digitalen Welt zu rechtfertigen.

Digitalsteuerung – in einer analogen Welt

Die Marketingaktivitäten für die gesamte digitale Entwicklung, die in erster Linie von Jungunternehmen losgetreten wurde, um Kunden und Investoren anzulocken, konzentrierte sich in erster Linie auf die gegensätzlichen Komponenten der Technologie und viel weniger auf das sich Ergänzende mit vorhandenen Systemen. Wir sollten offenbar vergessen, dass die Digitaltechnik gerade mal eine weitere Möglichkeit im Werkzeugkasten des Entwicklers ist und keineswegs ein anderes Universum.

Bei den folgenden Überlegungen bleibt die digitale Schnittstelle unbeachtet, denn sie dient ganz und gar der Kommunikation: Ihr Protokoll hat viel Wert für sich selbst, denn es erleichtert die Programmierbarkeit der Schaltung und die Implementierung von Überwachungs- Funktionen. Es ist aber nicht der Kernpunkt der Diskussion. Wir werden uns stattdessen auf die Analyse der Leistungsattribute des Systems konzentrieren: Um die Implementierungen besser vergleichen zu können, müssen die Eigenschaften der Regelschleife definiert werden. Alle digitalen oder analogen Systeme haben etwas von beiden: Die Grenze zwischen Analog und Digital – also die A/D- und D/A-Umsetzung – verschiebt sich innerhalb der Regelschleife lediglich zu verschiedenen Positionen.

Damit lassen sich ein paar Architektur- Kategorien bestimmen, und zwar basierend auf dem Punkt, wo die Umsetzung innerhalb der Schleife stattfindet. Zu beachten ist ferner, wie der Digitalteil implementiert wurde.

Die meisten Schaltungen lassen sich in drei Hauptblöcke einteilen: Fehlererkennung, Fehlerkompensation und Modulator. Welcher der Blöcke in analoger oder digitaler Schaltungstechnik ausgeführt wurde, lässt Rückschlüsse zu, wie die unterschiedlichen Stromversorgungsschaltungen einzuordnen sind.

Die digitale Regelung kann folgende Strukturen aufweisen:

  • lineare Schleife im Z-Bereich (PID-Regler),
  • lineare Schleife mit einer digital gesteuerten, nichtlinearen Übergangsfunktion,
  • nichtlineare Implementierung: Gleitzustand, hysteresefrei oder hystereseartig (basierend auf einem oder mehreren Eingängen, um die Schaltpunkte zu bestimmen), Sigma- Delta (verwendbar als ein Fehlerverstärker- und Umsetzerblock oder als ein Modulator) oder Multi-Ebenen (Table-Lookup, „Fuzzy“, optimale Fläche usw.),
  • zusätzliche Vorhersage-/Adaptions- Schleifen für lineare und nichtlineare Implementierungen.

In allen Fällen könnte die Stromversorgung gleich gut mit einer analogen oder digitalen Schaltung ausgeführt werden. Die komplizierteren Implementierungen sind sicherlich in einer digitalen Version einfacher möglich, speziell dann, wenn sie einiges an Speicher benötigen, oder aber wenn sich die Komplexität der Entscheidungen erhöht hat – insbesondere bei nichtlinearen Regelungen.