Gleichspannungswandler Neue Reglerkonzepte für Stromversorgungen

Energie einzusparen ist eine wesentliche Aufgabe bei der Entwicklung von mobilen und mittlerweile auch stationären elektronischen Geräten. Dabei fällt dem richtigen Design von Wandlerschaltungen besondere Bedeutung zu. Hier einige wichtige Tipps zu diesem Thema.

Neue Vorschriften zwingen Entwickler dazu, sowohl Energie einzusparen als auch immer mehr Funktionen in immer kleinerem Raum zu integrieren. Dabei ist es wichtig, Verluste zu vermeiden, da die Kühlung der elektronischen Bauelemente entweder Platz braucht, der nicht zur Verfügung steht, oder weil sich die Kühlung in dem beschränkten Raumangebot extrem aufwendig gestaltet.

Was in stationären Geräten und Anlagen wichtiger wird, ist für die Entwicklung tragbarer Geräte schon immer ein entscheidendes Ziel gewesen – nämlich Verluste zu vermeiden. Denn bei tragbaren elektronischen Geräten sind geringe Verluste einerseits notwendig, um die Wärmeentwicklung niedrig zu halten, andererseits verkürzen Verluste auch die Betriebszeit pro Akku-Ladung.

Flexible, modulare Schaltungskonzepte nötig

Aus diesem Grund werden Schaltungskonzepte und Betriebsarten, die für tragbare Geräte entwickelt wurden, immer mehr auch für stationäre Systeme interessant. Aber auch in tragbaren Geräten gibt es noch weitere zahlreiche Möglichkeiten, die verfügbare Energie effizienter zu nutzen. Diese Möglichkeiten auszuschöpfen ist entscheidend, um zusätzliche Funktionen integrieren und für sie auch Energie bereitstellen zu können. Kompromisse bezüglich der Größe des Gerätes und der Batterien oder der Batterielebensdauer sind dabei kaum möglich. Hinzu kommt heute, dass neue Funktionen in immer kürzeren Abständen entwickelt und mit möglichst wenig Zeitaufwand integriert werden müssen.

Um mit dieser Dynamik Schritt halten zu können, ist es vorteilhaft, flexibel aufgebaute und modular strukturierte Schaltungen zu entwickeln. Schaltungsblöcke sollten sich dabei so wenig wie möglich gegenseitig beeinflussen oder voneinander abhängig sein. Nur so lassen sie sich schnell austauschen oder sinnvoll mit zusätzlichen Funktionen ergänzen. Für das Energiemanagement bedeutet das, dass es immer wesentlicher wird, nicht alles zentral in einer Einheit zu organisieren, um die nötige Flexibilität behalten zu können. Das Energiemanagement sollte vielmehr möglichst reibungslos im Hintergrund funktionieren, ohne den Benutzer bei der Verwendung des Gerätes zu stören.

Stark wechselnde Anforderungen an Stromversorgungen

Die wichtigste Energiequelle für tragbare Geräte ist die Batterie. Für die verschiedenen Anforderungen stehen unterschiedliche Technologien zur Verfügung, wie Batterien mit unterschiedlicher chemischer Struktur und unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Batterien können austauschbar sein oder fest in die Geräte eingebaut und je nach Anforderung aufladbar oder nicht wieder aufladbar sein. Auch Kombinationen von unterschiedlichen Batterietechnologien können sinnvoll sein.

Der steigende Energiebedarf, der durch die zunehmende Zahl zu integrierender Funktionen entsteht, treibt die Batteriehersteller dazu, ihre Zellen ständig zu verbessern. Höhere Energiedichten in den Batteriezellen zu erreichen, ohne die Sicherheit der Zellen zu gefährden, oder niedrige Selbstentladung, ohne die Zellenimpedanz zu erhöhen, sind die Herausforderungen für die Hersteller.

Auch die DC/DC-Umsetzer, die den Batterien nachgeschaltet sind und alle Versorgungsspannungen für das System zur Verfügung stellen, müssen immer höhere Anforderungen erfüllen. Während es zum Beispiel bei den allerersten MP3-Playern oder Digitalkameras normal war, dass beim Herunterladen der Daten bei angeschlossenem Computer immer noch die interne Batterie belastet wurde, erwartet man heute, dass die Geräte bei angeschlossenem Computer voll funktionsfähig bleiben, per USB versorgt werden und selbstverständlich noch nebenbei die eingebauten Batterien geladen werden. Die DC/DC-Wandler, die das System versorgen, müssen dabei in der Lage sein, mit unterschiedlichen Energiequellen zu arbeiten und bei Bedarf schnell von einer Energiequelle zur nächsten zu wechseln, ohne dass sich die Ausgangsspannung ändert, auch wenn sich die Spannungspegel der Quellen stark unterscheiden.

Zusätzlich zu den bereits etablierten Energiequellen, den Batterien und den vom Netz versorgten DC/DC-Wandlern wie in Steckernetzteilen oder USB-Versorgungen, wird die Nutzung regenerativer Energien immer attraktiver. In der Umgebung verfügbare Energie wird dabei aufgenommen und als elektrische Energie an die Schaltung abgegeben, zum Beispiel die Energie des Sonnenlichts mit Hilfe von Solarzellen.

Durch diese zusätzlichen Energiequellen mit ihren spezifischen Eigenheiten werden die Anforderungen an das Energiemanagement noch komplexer. Es ist dabei nicht nur nötig, eine zusätzliche Quelle zu berücksichtigen – auch das Verhalten dieser Quellen stellt neue Herausforderungen an das System.

Ein Problem ist zum Beispiel, dass die Energie üblicherweise nicht in dem Maß verfügbar ist, wie sie im Augenblick gebraucht wird. Diese Art von Problemen kann aber nicht nur bei der Nutzung regenerativer Energien auftreten. Um Energie einzusparen, werden zum Beispiel in vielen Systemen komplette Schaltungsblöcke abgeschaltet und nur dann aktiviert, wenn sie gebraucht werden. Damit das Ein- und Ausschalten dieser Schaltungsblöcke die Benutzung des Gerätes nicht beeinträchtigt, muss es in sehr kurzer Zeit erfolgen, ohne andere aktive Schaltungsblöcke in ihrer Funktion zu behindern. Spürbare Wartezeiten, die beim Aktivieren von Funktionen auftreten oder Störungen in anderen Funktionen werden von Benutzern nicht positiv aufgenommen. Das bedeutet für die Stromversorgungen der Schaltungsblöcke, dass sie in der Lage sein müssen, hohe Lastschwankungen in sehr kurzer Zeit auszuregeln.

Für die Energiequelle bedeutet das, dass sie mit sehr hohen Strömen und Stromänderungen belastet werden kann, die von der aktuellen Benutzung des Gerätes abhängen. Wenn mehrere Schaltungsblöcke gleichzeitig aktiv sind, addieren sich deren Ströme, und die Änderungen überlagern sich. Damit können zum Beispiel die maximalen Ströme an der Batterie sehr hoch werden, obwohl der mittlere Strom aus der Batterie niedrig ist.

Falls Batterien mit Schutzschaltungen verwendet werden, die den Kurzschluss-Strom begrenzen, können beim zufälligen Zusammentreffen von aktiven Phasen kritischer Schaltungsblöcke Batterieströme auftreten, die bereits im Bereich der Begrenzung liegen. Obwohl der mittlere Batteriestrom weit unterhalb des maximalen Batteriestroms liegt, kann dann der Betrieb des Geräts durch Aktivitäten der Schutzbeschaltung der Batterie instabil werden. Falls der Ausgangsstrom der Energiequelle technisch begrenzt ist, zum Beispiel bei einem USB-Anschluss, ist es möglich, dass notwendige maximale Ströme für die Versorgung eines einzelnen Schaltungsblocks nicht zur Verfügung stehen.

Dies ist auch der typische Betriebsfall bei der Nutzung regenerativer Energien. Das liegt meistens daran, dass der maximale verfügbare Strom zu einem bestimmten Zeitpunkt kaum vorhergesagt werden kann, da er von der verfügbaren Energie in der Umgebung abhängt. Ein einfaches Modell, um die Energiequellen zu beschreiben, ist eine ideale Spannungsquelle mit einem charakteristischen Innenwiderstand.

In realen Applikationen müssen zusätzlich zum Innenwiderstand die Widerstände der Anschlüsse, der Anschlussleitungen und die Übergangswiderstände von Schaltern und Sicherungselementen berücksichtigt werden. Im einfachen Modell können diese Widerstände zum Innenwiderstand der Quelle addiert werden. Damit lässt sich ein theoretisches Maximum für die Leistung berechnen, die die Quelle an einem bestimmten Betriebspunkt abgeben kann.

Bild 1 zeigt zwei Bespiele für Energiequellen, bei denen die maximale Leistungsabgabe begrenzt ist. In Bild 1a die Leistungskennlinie einer typischen wieder aufladbaren Li-Batteriezelle gegen Ende der Entladung dargestellt. Bild 1b zeigt die Leistungskennlinie einer Solarzelle. Bei Solarzellen variiert übrigens der Innenwiderstand mit der Lichtintensität. Weniger Licht lässt den Widerstand steigen, bei mehr Licht sinkt er entsprechend.

Die Schwankungen des Innenwiderstandes bei einer Batterie sind nicht so deutlich ausgeprägt. Er variiert mit dem Ladezustand der Batterie.

Bild 2 zeigt den Verlauf des Innenwiderstands einer wieder aufladbaren Li- Batteriezelle der Größe 18650 während der Entladung. Er fällt bei Beginn der Entladung sehr rasch, um dann kontinuierlich mit der Entladung wieder anzusteigen. Der höchste Wert wird bei maximaler Entladung erreicht.

Wird so eine Batteriezelle mit Strompulsen belastet, verändert sich die Spannung an ihren Anschlüssen entsprechend. Eine Stromänderung von zum Beispiel 1 A erzeugt Spannungsschwankungen von 400 mV.

Diese Spannungsschwankungen übertragen sich auf alle Schaltungskomponenten, die direkt an der Batterie angeschlossen sind, obwohl sie möglicherweise nur von einem Schaltungsblock verursacht werden.