AC-Stromversorgungskonzepte für das IoT Effiziente AC/DC-Module im Industrie-4.0-Zeitalter

Die AD/DC-Module sorgen für enormen, digitalen Schub in der Stromversorgung .
Recom präsentiert auf der Electronica neue AC/DC-Module für das Internet der Dinge.

Industrie 4.0, Smart Home und IoT – die vierte industrielle Revolution ist in vollem Gange. Obwohl die Stromversorgungsbranche eine weitgehend analoge Domäne ist, sorgt die Digitalisierung für enormen Innovationsschub. Neue AC/DC-Module setzen Bestmarken in punkto Effizienz und Leistungsdichte.

Die Zukunft ist digital, kein Zweifel. Autark arbeitende Systeme mit lokaler Intelligenz und einer Vielzahl von Sensoren erfordern auch bei der Stromversorgung dezentrale Strukturen. Jeder intelligente Sensor, jeder kleine Stellmotor, jeder Knotenpunkt muss »vor Ort« mit der passenden Spannung versorgt werden. Dadurch steigt der Bedarf an kleinen On-Board-Netzteilen gewaltig.

Nicht zuletzt das Internet der Dinge sorgt mit immer neuen Applikationen für enorme Dynamik. Kleine Netzteile haben aber generell den Nachteil, dass der Wirkungsgrad weniger gut ist als bei größeren Netzteilen. Entsprechend groß ist der Druck auf die Hersteller, die Effizienz ihrer Designs zu verbessern – insbesondere im unteren Leistungsbereich zwischen 1 und 20 W.

»Zero Standby« als ultimatives Ziel

Angesichts der schieren Masse kleiner Netz-Module, die in verteilten Stromversorgungs-Architekturen vonnöten sind, kommt dem Thema Energieeffizienz große Bedeutung zu. Deshalb hat die EU vor 5 Jahren die gemäß der ErP-Richtlinien (Energy-related Products, Lot 6) zulässigen Grenzwerte für Standby- und Off-Betrieb eingebauter Netz-Module halbiert. Aufwendigere Standby-Schaltungen mit Display dürfen heute noch 1 W Leistung ziehen – einfache Varianten noch 0,5 W.

Technisch wäre heute schon sehr viel mehr möglich. Deshalb ist damit zu rechnen, dass die Grenzwerte mit Blick auf 2020 weiter reduziert werden. Das macht durchaus Sinn. Denn eine Industrie-4.0-Factory mit 10.000 smarten Sensoren benötigt allein für Standby-Zwecke eine Leistung von 5 kW – rund um die Uhr und sieben Tage die Woche.

Deshalb arbeiten Hersteller wie Recom an einer neuen Generation von
AC/DC-Modulen, die diese Grenzwerte um ein Vielfaches unterschreiten. »Zero Standby« heißt das ultimative Ziel. Im Labor laufen bereits Prototypen von
AC/DC-Wandlern, die den Standby-Bedarf auf unter 5 mW senken könnten. Die Kosten für ein solches »Zero-Standby«-Modul wären allerdings heute noch unwirtschaftlich hoch.

Trotzdem tragen die Experimente an der Grenze des technisch Machbaren bereits Früchte. So übertrifft Recoms neue RACxx-K-Serie (Bild 1) die von der EU festgelegten Grenzwerte um ein Vielfaches und schneidet bei Nulllast mit einem Bedarf von weniger als 75 mW deutlich besser ab als das Gros vergleichbarer Module.

MOSFETs reduzieren Verlustleistung

Die Reduzierung des Nulllast-Verbrauchs ist die eine Seite der Medaille – die Verbesserung des Wirkungsgrades über den gesamten Lastbereich die andere. Der Wirkungsgrad eines AC/DC-Wandlers wird maßgeblich durch die Verluste einer Diode beeinflusst, die zur Gleichrichtung auf der Sekundärseite benötigt wird.

Dabei fällt die Durchlassspannung von rund 0,6 V umso mehr ins Gewicht, je niedriger die Ausgangsspannung ist. Bei 12 V beträgt der Verlust 5 % – bei 3,3 V aber bereits 18 %. Damit dürfte für ein Modul mit 20 W Leistung im letztgenannten Fall bestenfalls ein Wirkungsgrad von 75 % erreichbar sein.

im letztgenannten Fall bestenfalls ein Wirkungsgrad von 75 % erreichbar sein.
Ein wesentlich besserer Wirkungsgrad nahe der 90-%-Marke lässt sich erzielen, wenn anstelle einer Diode auf der Sekundärseite ein »aktiver« MOSFET eingesetzt wird (Bild 2). Ein simples Rechenbeispiel zeigt, dass sich die Leistungsverluste dadurch wesentlich verringern lassen. Geeignete MOSFETs haben einen Durchgangswiderstand RDS,ON von rund 2 mΩ. Entsprechend der Formel

P subscript v equals l subscript o u t end subscript squared R subscript D S comma O N end subscript

lässt sich unter Vernachlässigung der Schaltverluste für das 20-W-Modul RAC20-05SK bei 4 A Volllast eine Verlustleistung von 0,32 W errechnen. Die Lösung mit Dioden dagegen generiert in diesem Fall nach der Formel

P subscript v equals I subscript o u t end subscript times U subscript d

eine Verlustleistung von 2,4 W. Die Differenz von 1 W macht sich beim Wirkungsgrad mit 5 Prozentpunkten bemerkbar.

Wird der MOSFET auf der Sekundärseite so mit dem Switcher auf der Primärseite synchronisiert, dass er exakt im Nulldurchgang schaltet (Prinzip eines »Synchronized Rectifiers« mit quasiresonantem Flyback), entstehen neben den geringeren Verlusten auch weniger Oberwellen (Bild 3). Dadurch ist die EMV-Problematik wesentlich leichter zu beherrschen. Die Filterung kann kleiner dimensioniert werden, was neben Platz auch Kosten spart.

Diese Lösung hat neben der Energieeinsparung noch weitere wichtige Vorteile: Aufgrund der geringeren Verluste entsteht weniger Wärme. Niedrigere Temperaturen innerhalb des Moduls wirken sich positiv sowohl auf die zulässige Betriebstemperatur als auch auf die Lebensdauer aus. Außerdem erlaubt sie eine höhere Packungsdichte. Beim RAC20-Modul ist wie auch bei den Versionen mit 5, 10 und 15 W Leistung neben einer Netzsicherung bereits ein EMV-Filter integriert.

Die Module entsprechen ohne externe Beschaltung allen internationalen Standards - insbesondere für EN 60950, EN 61204 Class B (EMV) und EN 60335 (Household). Deshalb lohnen sich die etwas höheren Kosten der technisch aufwendigeren Lösung mit MOSFETs.