Energieeffizienz steigern

Ohne Analog funktioniert nichts!

1. Dezember 2021, 10:41 Uhr | Iris Stroh
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Die Welt ist analog. Egal ob es um Temperatur, Geschwindigkeit, Sound oder Spannung geht, in allen Fällen handelt es sich um analoge Signale, die erfasst/verstärkt/verarbeitet werden müssen. Analogtechnik ist folglich überall zu finden.

Diese Tatsache spiegelt sich auch in den entsprechenden Marktvolumina wider. Laut Verified Market Research belief sich der weltweite Markt mit Analog-ICs im letzten Jahr auf 349 Mrd. Dollar, der gesamte Halbleitermarkt belief sich in diesem Jahr laut IDC auf knapp 465 Mrd. Dollar. Auch das prognostizierte Wachstum ist beeindruckend: 2028 soll das Marktvolumen 669,1 Mrd. Dollar betragen. Das entspricht einer durchschnittlichen Wachstumsrate von 8,46 Prozent für den prognostizierten Zeitraum. Zu den Treibern für dieses Wachstum zählen zum Beispiel die Forderung nach einem verbesserten Energie-Management in batteriebetriebenen Geräten, aber auch Trends wie IoT oder IIoT, die mithilfe einer steigenden Anzahl an Sensoren auch immer mehr analoge Signale erfassen.

Analogtechnik hilft die Energieeffizienz zu steigern

Die Experten von EBV Elektronik sind überzeugt, dass die Leistungsaufnahme nur dann so gering wie möglich gehalten werden kann, wenn sie bereits in den Entwurfsprozess einbezogen wird. Das heißt, dass die Energieeffizienz eine Designanforderung darstellt und in frühen Phasen der Designimplementierung bewertet werden sollte. Darüber hinaus gibt es diverse Möglichkeiten, den Energieverbrauch von Analogschaltungen zu minimieren. Dies beginnt mit der Verwendung fortschrittlicher Schaltungstopologien und Optimierungsmaßnahmen auf Blockebene und umfasst aber auch die Wahl der richtigen Systemarchitektur und die Ausarbeitung eines Signalisierungsschemas, wodurch die Komplexität der Schaltung reduziert werden kann.

Gerade wenn es um batteriebetriebene Geräte geht, ist die Leistungsaufnahme ein entscheidender Parameter für die Laufzeit der Batterie. Vorteil dabei ist, dass viele batteriebetriebene Anwendungen die meiste Zeit inaktiv sind und darauf warten, dass ein Ereignis passiert. Ist dies der Fall, führt das System entsprechende Aktionen aus, wie beispielsweise das Auslesen eines Sensors, danach geht das System wieder in den Standby-Modus und wartet auf das nächste Ereignis. Daraus folgt, dass für eine längere Batterielaufzeit die Leistungsaufnahme im Standby-Modus viel wichtiger ist als die Leistungsaufnahme im Betriebsmodus. Hier kann beispielsweise die nanoPower-Technologie von Maxim Integrated (heute Teil von Analog Devices) helfen. Sie ermöglicht Bausteine, die sich durch einen sehr niedrigen Ruhestrom (IQ) von weniger als 1 µA auszeichnen. Dank der Technologie fallen auch die Gehäuse der ICs kleiner aus und es sind weniger und kleinere zusätzliche Komponenten notwendig, so dass auch der benötigte Leiterplattenplatz um bis zu 50 Prozent kleiner ausfällt. Maxim hat viele verschiedene nanoPower-Technology-Bausteine entwickelt, angefangen bei Boost-Reglern, über Verstärker und Supervisor-ICs, bis hin zu Mikrocontrollern.

Eine weitere Möglichkeit, die Energieeffizienz zu steigern, besteht beispielsweise im Ersatz von digitalen Bausteinen durch analoge Komponenten. Das ist sogar möglich, wenn es sich um Anwendungen handelt, in denen Maschinenlern-Algorithmen zum Einsatz kommen. Ein analoger Ansatz ist besonders dann sinnvoll, wenn die Rohdaten, mit denen gearbeitet wird, ebenfalls analog sind, was beispielsweise bei Mikrofonen mit analogen Ausgängen der Fall ist. Deshalb werden Spracherkennungssysteme, die über Schlüsselwörter aktiviert werden, bereits häufig mit analogen Chips realisiert. In diesem Fall ersetzt der analoge Block nicht die gesamte Audiokette, sondern er übernimmt die Aufgabe, die es erforderlich macht, ständig im aktiven Modus zu sein - in dem Fall für das Erkennen der Schlüsselwörter. Damit können die digitalen Schaltungen in solch einem System die ganze Zeit über ausgeschaltet bleiben. Erst wenn der analoge Block ein Wake-up-Wort erkennt, wird der Rest der (digitalen) Audiokette aktiviert, die dann den Inhalt des Befehls verarbeitet.

Ebenfalls einen wichtigen Beitrag in Hinblick auf eine verbesserte Energieeffizienz liefern Wide-Band-Gap-Halbleiter (WBG), sprich SiC (Siliziumkarbid) und GaN (Galliumnitrid). In vielen klassischen Anwendungen übernehmen Analog-ICs die Regelung und Umwandlung von Strömen, mit WBG-Materialien lassen sich Wirkungsgrad und Leistungsdichte deutlich erhöhen, und gleichzeitig Größe und Gewicht verringern.

In batteriebetriebenen Anwendungen wie E-Bikes, Robotik oder Drohnen ist eine effiziente und kompakte Elektronik gefordert. Leistungselektronik auf Basis von Siliziumkarbid und Galliumnitrid adressiert diese Anforderungen und macht kleinere Antriebe mit einem höheren Wirkungsgrad möglich. Ein Beispiel: Die Verluste mit WBG-Leistungshalbleitern fallen in Servoantrieben um bis zu 80 Prozent niedriger aus als mit Si-basierten IGBTs.

SiC- und GaN-basierte Halbleiter bieten aber auch in Computern, Smartphones und anderen Geräten der Unterhaltungselektronik erhebliche Vorteile. So sind die Ladegeräte für Mobiltelefone und Computer in den letzten zehn Jahren immer kleiner und leistungsfähiger geworden. Dafür sind aber ICs notwendig, die mehr Leistung auf kleinem Raum erzeugen können. Neuartige Architekturen, wie Flyback-Wandler mit aktiver Klemme, ermöglichen in Kombination mit GaN-FETs eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads, so dass der Adapter dank hoher Leistungsdichte immer kleiner werden kann.

Im Audiosektor werden die Geräte ebenfalls immer kleiner, leichter und leistungsfähiger. Ein beeindruckendes Beispiel in dieser Hinsicht sind die Class-D-Verstärker. Sie ermöglichen selbst in sehr kompakten Systemen eine hohe Klangqualität und eine hohe Audio-Ausgangsleistung. Analoge Chips auf GaN-Basis maximieren die Leistung von Class-D-Audioverstärkern und ermöglichen es, eine Leistung zu erzielen, die fast der theoretischen Idealleistung entspricht. Sie sind eine Voraussetzung für die Maximierung der Audio-Ausgangsleistung und die Minimierung der Leistungsverluste in Class-D-Audioverstärkern und verbessern gleichzeitig die Linearität und die EMI-Leistung. Derartige Chips können in allen möglichen Anwendungen eingesetzt werden - von intelligenten Lautsprechern bis hin zu hochwertigen Heim-Audio-Systemen.


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