Das Gesamtsystem optimieren Leistungs-Mittelwertbildung für mehr Effizienz

Spitzenleistung in der Stromversorgung mit tatsächlich benötigter Leistung auslegen spart Platz und Kosten.
Die Spitzenleistung der Stromversorgung gemäß der tatsächlich benötigten Leistung auszulegen spart Platz und Kosten.

Stromversorgungen können oft auch im Dauerbetrieb die Spitzenleistung abgeben – und das, obwohl die im Mittel benötigte Leistung wesentlicher niedriger ist. Eine interessante Alternative ist, die Stromversorgung nur für die tatsächlich benötigte mittlere -Leistung auszulegen.

Bei den meisten Applikationen wird die Stromversorgung so spezifiziert, als ob die Last kontinuierlich eingeschaltet ist. Es gibt aber etliche Anwendungen, bei denen die Last nur für kurze Augenblicke Strom von der Versorgung zieht.

Die Last ist für kurze Zeit an, dann aus und dieser Zyklus wiederholt sich. Beträgt die Last zum Beispiel 3 kW und ist 1 ms lang angeschaltet, und dann 5 ms lang ausgeschaltet, wird die Stromversorgung mit 3 kW spezifiziert. Die mittlere Leistung in diesem Fall beträgt aber nur 500 W.

In Applikationen, bei denen es auf Gewicht und Größe ankommt, und die Last zyklisch nur für kurze Augenblicke eingeschaltet ist, kann die Stromversorgung auf den Mittelwert der Leistung dimensioniert werden, indem man einen Wandler mit Strombegrenzung und einen Speicherkondensator einsetzt, der die benötigte Spitzenleistung liefert.

Bei der Konfiguration einer derartigen Anordnung muss der Entwickler auf die Strom- und Leistungsbegrenzung sowie die Stabilität der Stromversorgung achten. Außerdem muss der Kondensator korrekt ausgelegt werden, um den Spannungseinbruch an der Last innerhalb der erlaubten Toleranzen zu halten. Applikationen wie gepulste Verstärker, blinkende LED-Lichter und Leistungsschalter im Netz profitieren von der Mittelwert-Konfiguration. Denn so lassen sich Kosten, Baugröße und Gewicht des Gesamtsystems verringern.

Mit steigendem Leistungsbedarf wird es für viele Entwickler schwierig, die Vorgaben bezüglich Abmessungen und Gewicht für die Stromversorgung einzuhalten. Wird die Stromversorgung für den Dauerbetrieb bei Spitzenleistung ausgelegt, obwohl die mittlere Leistung wesentlich niedriger ist, müssen zusätzliche Bauteile wie Bypass-Kondensatoren, Kühlkörper und Lüfter eingeplant werden.

Diese Komponenten nehmen mehr Platz ein und machen es noch schwerer, Abmessungen und Gewicht gering zu halten. Deshalb kann es die bessere Alternative sein, eine Stromversorgung entsprechend der benötigten mittleren Leistung auszulegen.

Die Strombegrenzung als Betriebsbereich

Viele DC-Stromversorgungen sind mit DC/DC-Wandlern aufgebaut, die eine konstante Spannung bis zum maximalen Lastpunkt liefern und für den maximalen Strom sowie die maximale Leistung ausgelegt sind. Versucht die Last mehr als den spezifizierten Strom zu ziehen, geht die Stromversorgung normalerweise in einen Strombegrenzungs-Modus über. Das bedeutet, dass die Ausgangsspannung sinkt oder das Gerät abschaltet, um danach wieder neu zu starten.

Die Strombegrenzung liegt normalerweise knapp über dem maximalen Nennstrom, sodass bei der Nenn-Ausgangsspannung die maximal mögliche Leistung geliefert werden kann. Ein 500-W-Wandler mit einer Ausgangsspannung von 48 V liefert einen maximalen Nennstrom von 500 W/48 V = 10,4 A. Die Strombegrenzung setzt dann zum Beispiel bei 13 A ein.

Sie ist damit für einen Lastfehler konzipiert, der erfahrungsgemäß nur einige wenige Male während der Lebenszeit des Wandlers auftreten wird. Wird der Wandler nicht so entwickelt, dass die Strombegrenzung einen für ihn normalen Betriebsbereich darstellt, führt das zu einer Überbelastung der Komponenten im Wandler. Dies kann die Lebensdauer verkürzen.

Benötigt die Last einen Strom, der zwar über dem maximal spezifizierten Wert, aber unterhalb des Einsatzpunktes der Strombegrenzung liegt, wird die  Stromversorgung möglicherweise überlastet, was eventuell zu einem Ausfall führt. Ein 500-W-Wandler mit 48 V Ausgangsspannung und einer bei 13 A einsetzenden Strombegrenzung könnte eine Leistung bis 624 W liefern, bevor der Strom begrenzt wird.

Die typische Konfiguration einer Stromversorgung, die auf einer Leistungs-Mittelwertbildung beruht, zeigt Bild 1. Der DC/DC-Wandler ist auf die benötigte mittlere Leistung ausgelegt und der Kondensator wurde so dimensioniert, dass er die Spitzenleistung liefert und dabei die Spannung dabei innerhalb der Toleranzen des nachgeschalteten Point-of-Load-Wandlers bleibt. U1 kann ein einfacher Schalter sein, der den Speicherkondensator während des Hochfahrens des Wandlers verbindet.

Der Kondensator als Herausforderung

Der große Speicherkondensator kann jedoch etliche Komplikationen in einem DC-Versorgungssystem verursachen. Dessen oftmals im Bereich von Tausenden von Mikrofarad liegende Kapazität ist in der Lage, beim Einschalten den DC/DC-Wandler in die Strombegrenzung zu treiben. Stromversorgungen, deren interne Strombegrenzung nicht für einen Dauerbetrieb ausgelegt ist, können meist mit einer externen Strombegrenzungsschaltung erweitert werden.

Die Strombegrenzungsschaltung garantiert, dass die maximal zulässigen Werte für Strom und Leistung nicht überschritten werden. Die Versorgung der Schaltung erfolgt meist aus der Ausgangsspannung der DC-Quelle. Beim Start ist die Ausgangsspannung jedoch Null, die Begrenzungsschaltung ist nicht aktiv. Außerdem kann es zu hohen Strömen kommen.

Der Entwickler hat die Wahl, den Kondensator vorzuladen oder einen Serienwiderstand einzufügen, der den Strom beim Einschalten begrenzt. Dieser Widerstand wird überbrückt, sobald die externe Strombegrenzung aktiv ist.

Vorlade- und Strombegrenzungsschaltungen sind oft komplex und nehmen wertvollen Platz auf der Platine ein. Die externe Strombegrenzung muss schnell genug sein, um eine zu hohe Stromspitze effektiv abzudämpfen. Diese Aufgabe kann eine Herausforderung darstellen, da bereits einige wenige Schaltzyklen eine Überstromabschaltung auslösen können.

Fährt die DC-Stromquelle durch das sichere Aufladen des Kondensators erfolgreich hoch, muss immer noch die Stabilität des Systems betrachtet werden. Bei einigen DC/DC-Wandlern können zu hohe kapazitive Lasten eine Instabilität der internen Spannungsregelschleife bewirken, was zu Fehlern oder sogar Ausfällen führt. Hat der Entwickler Zugriff auf die Regelschleife der Stromversorgung, kann er dieses potenziell auftretende Problem lösen.

Einige DC-Systeme ermöglichen den Zugriff, sodass der Entwickler das System so auslegen kann, dass es auch mit einem Kondensator mit hoher Kapazität stabil arbeitet. Wird die Regelschleife modifiziert, muss allerdings überprüft werden, ob das System sowohl beim Hochfahren als auch im regulären Betrieb stabil bleibt.