Digital Power Power-Management auf Netzteil erweitert

Digitales Powermanagement von eingebetteten Systemen steuert Netzteil
Digitales Powermanagement eingebetteter Systeme steuert Netzteil.

Power-Management ist ein wesentlicher Bestandteil eingebetteter Systeme geworden. Je nach Betriebszustand werden nicht benötigte Baugruppen eines Systems abgeschaltet, um Energie einzusparen. Wird die Stromversorgung mit einbezogen, eröffnen sich neue Möglichkeiten. Das im Rahmen von Forschungsarbeiten am Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) entwickelte Konzept eines intelligenten Netzteils mit regelbarer Ausgangsspannung kann durch Kommunikation mit dem Verbrauchersystem Energieeinsparungen von bis zu - 10 % erreichen.

Die voranschreitende Elektrifizierung des täglichen Lebens macht die Effizienzsteigerung elektrischer Systeme zu einem bestimmenden Thema. Industrie und Forschung investieren viel Geld und Know-how in die Optimierung von Bauelementen und Schaltungen sowie die Verbesserung von Algorithmen, um elektrische Verluste zu senken. Die große Vielfalt und zunehmende Verbreitung elektrischer Geräte und Systeme kleinerer Leistung birgt ein wesentliches Energiesparpotenzial - auch im Bereich der Netzteile, die diese Systeme versorgen.

Der aktuelle Stand der Technik bietet Schaltnetzteile mit hohen Wirkungsgraden bis über 90 %. Das weitere Optimierungspotenzial wird in diesem Bereich jedoch immer geringer, so dass nach neuen Möglichkeiten gesucht werden muss. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der ENIAC geförderten Forschungsprojektes „SmartPM" wurde der Fokus daher auf das Gesamtsystem erweitert - also das Zusammenwirken von Netzteil und Verbraucher.

Wo ist nun aber das größte Einsparpotenzial zu finden? Aktuelle Embedded-Computer verfügen über eine Vielzahl von Spannungswandlern, die unterschiedliche Baugruppen und Peripherien mit zum Teil deutlich verschiedenen Betriebsspannungsbereichen versorgen. Deren Wirkungsgrad ist stark abhängig von der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung (Bild 1).

Während viele Mikrocontroller und Speicherbausteine Spannungen zwischen 0,8 V und 3,3 V benötigen, arbeitet ein Ladegerät zum Laden eines angeschlossenen Akkus beispielsweise mit bis zu 18 V. Die für solche Systeme üblicherweise eingesetzten Netzteile liefern wirkungsgradoptimiert eine statische Ausgangsspannung. Diese Betriebsspannung muss so hoch sein, dass das gesamte System in jedem möglichen Betriebszustand versorgt werden kann.

Auch wenn die Verluste im Netzteil dadurch gering gehalten werden, entstehen durch die hohe Eingangsspannung verhältnismäßig hohe Verluste an den meist nachgeschalteten Spannungswandlern des Verbrauchersystems. Besonders in Betriebszuständen, in denen bestimmte Peripherien nicht genutzt werden, ließen sich diese Verluste durch gezielte Absenkung der Betriebsspannung verringern.

Dieser Idee folgend, wurde in Zusammenarbeit mit den Firmen Elec-Con technology GmbH, Kontron und Telefunken Semiconductors ein „intelligentes" Netzteil entwickelt. Mit seiner variablen Ausgangsspannung und einer zusätzlichen Schnittstelle zur Kommunikation mit dem Verbrauchersystem ist es in der Lage, die Stromversorgung des Verbrauchersystems selbstständig an veränderte Betriebszustände anzupassen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei nicht auf einem höchstmöglichen Netzteilwirkungsgrad, sondern auf der Minimierung der vom gesamten System aufgenommenen Leistung.

Der im Rahmen des Forschungsprojektes SmartPM entwickelte Prototyp kombiniert zwei voneinander unabhängige Schaltnetzteile, die in einem Demonstratorsystem einen Embedded-Computer bestehend aus Baseboard und COM-Board speisen (Bild 2). Zur Reduzierung des Energiebedarfs im Bereitschaftsbetrieb wird das 50-W-Hauptnetzteil (Tabelle) erst dann zugeschaltet, wenn das angeschlossene Embedded-System dies fordert.

ParameterWert
Eingangsspannung110 V - 230 V(AC), 50 / 60 Hz
Versorgung für Bereitschaftsbetrieb5 V (DC) statisch, 1,5 A max.
Hauptversorgung5 V - 18 V (DC) variabel, 5 A max.
max. Ausgangsleistung50 W
KommunikationsschnittstelleI²C
Tabelle. Die technischen Daten des im Rahmen des Projektes „SmartPM“ entwickelten Netzteil-Prototyps für ein eingebettetes System.

Ein zweites, wirkungsgradoptimiertes Netzteil versorgt das System in der übrigen Zeit, z.B. während des Bereitschaftsbetriebs, mit einer konstanten Spannung von 5 V. Das Hauptnetzteil selbst (Bild 3) arbeitet nach dem Sperrwandler-Prinzip, wobei ein Controller-IC mit integriertem Leistungstransistor zum Einsatz kommt. Dessen Entwicklung sowie die eines neuartigen 700-V-Halbleiterfertigungsprozesses waren ebenfalls Themen des SmartPM-Forschungsprojektes.

Sekundärseitig übernimmt ein Mikrocontroller die Erfassung von Strom- und Spannungswerten sowie die Sollwertvorgabe für die Spannungsregelung entsprechend den implementierten Algorithmen. Die primärseitige Leistungsmessung übernimmt ein zweiter, kleinerer Mikrocontroller, der die gemessenen Strom- und Spannungswerte galvanisch entkoppelt an den Hauptcontroller überträgt.

Als bedeutendster Unterschied gegenüber einem Standardnetzteil verfügt das SmartPM-Netzteil zusätzlich zu den Versorgungsleitungen über eine Kommunikationsschnittstelle, die es mit dem Verbrauchersystem verbindet. Die Kommunikation erfolgt hier über einen I²C-Bus, an den auch ein EEPROM des Embedded-Computers angebunden ist. Dieser Speicher enthält einen spezifischen SmartPM-Block mit Systemparametern und Startwerten für die Versorgung des Verbrauchersystems.

Beim Einschalten des Netzteiles wird das eingebettete System unmittelbar vom Standby-Netzteil versorgt, so dass wichtige Baugruppen bereits arbeiten können. Über einen vorgegeben I²C-Adressbereich wird anschließend nach angeschlossenen EEPROMs mit SmartPM-Block gesucht. Eingebettete Systeme, die kein Power-Management unterstützen - und demzufolge keinen EEPROM mit entsprechendem Block haben - können so identifiziert und in herkömmlicher Weise mit konstanter Spannung versorgt werden. Im Normalfall mit Power-Management würden aus dem EEPROM die Standardwerte für die Versorgung beim Systemstart ausgelesen. Signalisiert das Verbrauchersystem anschließend Bereitschaft, so wird die Ausgangsspannung des Netzteiles auf den zuvor ermittelten Wert eingestellt und das Verbrauchersystem wird gestartet.