And the winner is… Label für energiesparende Elektronik

Bild 1: Mit »Adaptive Voltage Scaling« (AVS) lässt sich die Verlustleistung eines FPGAs um durchschnittlich 40% verringern, dadurch sinkt die Gehäusetemperatur in diesem Beispiel von +53,6 °C (hier ohne AVS) auf +44 °C (mit AVS, siehe Bild 2).

Es ist eine Art »Oscar« für besonders energieeffiziente elektronische Bauelemente: Mit dem »BAT«-Label (Best Accessible Technology) gekennzeichnete Produkte sollen Entwicklern die Auswahl erleichtern, wenn sie ihre Schaltung auf möglichst geringen Stromverbrauch hin auslegen müssen.

Schwerpunkt Leistungselektronik

Auch wenn andere Produktbereiche bereits nachziehen, sehen die Fachleute bei EBV die Leistungselektronik bezüglich BAT in einer Vorreiterrolle. Besonders Siliziumkarbid gilt hier als Prozesstechnologie der Zukunft mit dem größten Potenzial für weiter sinkende Verlustleistung. So tragen beispielsweise die Siliziumkarbid- Schottkydioden des Herstellers Infineon mit den Typbezeichnungen »IDD06SG6x«, »IDH12SG6x« und »IDH02SG12x« das BAT-Symbol, weil sie ohne Sperr-Erholladung und mit stabiler Leistung über einen breiten Temperaturbereich eine höhere Effizienz in Leistungswandlern mit hoher Frequenz durch niedrigere Schaltverluste erlauben und zusätzlich verbessertes EMV-Verhalten aufweisen. Die genannten Typen weisen gegenüber der vorigen Generation niedrigere Kapazitäten bei einem besseren Preis-Leistungsverhältnis auf und bieten geringe Verluste bei niedrigen und mittleren Lasten.

In der Antriebstechnik sind Fairchilds »SPM«-Module besonders gut in punkto Leistungseffizienz und tragen daher das BAT-Siegel. Vor allem die Integration von bis zu zwölf optimal aufeinander abgestimmten Leistungskomponenten in einem Gehäuse minimiert die Verluste der Gesamtschaltung. Und die Anwendungsmöglichkeiten für diese Module sind vielfältig. So gibt es vom Bund geförderte Programme, die veralteten Zentralheizungs-Umwälzpumen zu erneuern, da diese oft den größten Stromfresser im Haus darstellen. Neue, elektronisch gesteuerte Umwälzpumpen brauchen bis zu 90% weniger Energie – in diesen Pumpen sitzt nicht selten ein SPMModul von Fairchild. Auch auf dem von EBV entwickelten Referenz-Board für die Motorsteuerung »Falcon Eye« bilden SPMModule das Leistungs-Interface zum Motor. Auf diesem Board sitzen viele weitere BAT-zertifizierte Bauelemente, nicht zuletzt dadurch erreicht diese Beispielschaltung für die Motoransteuerung sehr hohe Werte bezüglich der Energieeffizienz.

Einen Film mit weiteren technischen Details zu diesen Modulen können Interessenten auf ebv-tv [1] sehen. Für getaktete Stromversorgungen bietet Fairchild Schaltregler mit PFC-Stufe an, die über integrierte MOSFETs verfügen und ohne Kühlkörper bis zu 210 W abgeben können. Solche Schaltregler kommen häufig in Flachbildschirmen, EuP-konformen getakteten Stromversorgungen und Schaltnetzteilen für Computer zum Einsatz. Ein weiteres Beispiel für BAT-zertifizierte Lösungen sind die Ansätze von Texas Instruments für »Digital Power«.

Durch die Anwendung einer digitalisierten Regelschleife können so aufgebaute Spannungsversorgungen besonders schnell und exakt auf den tatsächlichen Strombedarf der jeweiligen Schaltung reagieren. So ist ein einziger Controller wie zum Beispiel der »UCD9246« in der Lage, eine ganze Reihe unabhängiger Spannungslevel zu managen, zum Beispiel vier unabhängige Stromkreise mit bis zu sechs Phasen bei unterschiedlichen Frequenzen. Diese Technik eignet sich für die Versorgung von Schaltungen mit FPGAs, DSPs und High-End- Mikrocontrollern, aber auch für komplexe Netzversorgungen wie Industrienetzteile sowie Spannungsversorgungen für Server oder die Telekommunikation.

Über eine grafische Oberfläche kann der Entwickler das gesamte System am PC konfigurieren, die richtige Konfiguration durch Simulationen für jeden einzelnen Ausgang des Chips sowohl in der Frequenz- als auch in der Zeitdomäne überprüfen und schließlich die Konfiguration in den nichtflüchtigen Speicher auf dem Chip programmieren. Ein sehr aussichtsreicher Anwärter für das BAT-Zeichen ist laut Angaben von EBV auch die »Energy Management Unit« vom Typ »LM10500«, eine integrierte Lösung des Herstellers National Semiconductor für die Stromversorgung von Schaltungen mit den neuesten, hoch komplexen FPGA-Derivaten.

Um deren Verlustleistung sicher beherrschen zu können, ist eine intensive Kopplung zwischen FPGA und einer Power-Management- Schaltung nötig, welche die Versorgungsspannung des Cores dynamisch dem jeweiligen Betriebszustand des Bausteins anpasst. Diesen »Adaptive Voltage Scaling« genannten Ansatz realisieren die neuen Power-Module von National Semiconductor effektiv und mit hoher Dynamik. Durch die Integration spart der Entwickler Fläche auf der Leiterplatte, und die Zuverlässigkeit der Schaltung steigt deutlich an. Das Ergebnis ist laut Hersteller ein im Durchschnitt um 40% reduzierter Stromverbrauch gegenüber einer Lösung mit fest eingestellter Spannung (Bild 1).

Über die BAT-zertifizierten Einzelbausteine hinaus bietet EBV mit dem neuen »EBV Chips«-Ansatz eine weitere Möglichkeit, besonders energiesparende Lösungen zu realisieren. Hier tritt EBV als Chipanbieter auf, der technische Anforderungen aus dem Markt gebündelt an die Halbleiterhersteller weitervermittelt und – eine kritische Masse vorausgesetzt – genau die gewünschten Halbleiter beziehungsweise Module fertigen lässt. Über dieses Konzept können Entwickler anwendungsspezifische Leistungselektronik-Module bekommen, die so als Standardbauteil am Markt nicht verfügbar sind. In diesen Modulen lassen sich beispielsweise bereits BAT-zertifizierte dies mit anderen Bauelementen zu für die jeweilige Anwendung besonders energieeffizienten Lösungen kombinieren.

Bevor das BAT-Label vergeben wird, erfolgt ein umfangreiches Screening aktueller und auf dem Markt neu erscheinender Produkte mit anschließender detaillierter Bewertung. Diesen hohen finanziellen und zeitlichen Aufwand leistet das Unternehmen in der Überzeugung, Entwicklern mit dem BAT-Label eine wertvolle Informationsquelle und Entscheidungshilfe an die Hand zu geben, um die Produkte der Zukunft möglichst energiesparend zu gestalten.