Backup-Systeme

Wenn die Lichter nicht ausgehen dürfen

1. August 2022, 14:05 Uhr | Iris Stroh
Analog Devices
Der MAX38889 von Analog Devices ist ein umkehrbarer Buck-Boost-Wandler für Backup-Applikationen.
© Analog Devices

Die Anzahl der Systeme, die ständig und ohne Unterbrechung verfügbar sein müssen, nimmt stetig zu. Entsprechend wichtig wird auch das dafür notwendige Backup, das auch im Falle eines Stromausfalls die Systeme weiter versorgt und damit am Laufen hält.

Kliniken verfügen über Notstromaggregate, die innerhalb weniger Sekunden die Stromversorgung übernehmen können, sodass beispielsweise lebenserhaltende medizinische Geräte (zum Beispiel Beatmungsgeräte) oder auch der OP-Betrieb weiter mit Strom versorgt werden, auch wenn die Hauptstromzufuhr unterbrochen ist.
Doch nur wenige Anwendungen benötigen große Notstromaggregate; die vielen kleineren elektronischen Systeme sind ebenfalls auf ein funktionsfähiges Backup-System angewiesen. Je nach Anwendungsfall adressieren die Halbleiterhersteller unterschiedliche Aspekte, sodass ein bunter Strauß an Möglichkeiten zur Verfügung steht.

Analog Devices beispielsweise hat im letzten Jahr für die Backup-Stromversorgung ein weiteres Mitglied seiner Continua-Familie vorgestellt, das sich laut Unternehmensangaben durch den höchsten Wirkungsgrad und die geringste Größe auszeichnet. Frederik Dostal, Subject Matter Expert Power Management bei Analog Devices, erklärt, dass sich Analog Devices mit der Continua-Familie auf Anwendungen konzentriert, in denen nur eine niedrige Spannung aufrechterhalten werden muss. Dostal: »Auch in 24-V-Industrieanwendungen ist dies oftmals eine 5-V- oder 3,3-V-Rail, um beispielsweise einen Mikrocontroller in Betrieb zu halten, um ein paar letzte Nachrichten zum gesamten System zu kommunizieren.«

Dostal betont, dass der Entwickler durch die Standardisierung eines Backup-Systems mit Superkondensator eine sehr kompakte und einfach einzusetzende Möglichkeit erhält; ein Beispiel sei der neue »MAX38889« von Analog Devices. Dostal weiter: »Dabei handelt es sich um einen bidirektionalen Buck-Boost-Regler, der in beide Richtungen mit einer bis zu 95-prozentigen Wandlungseffizienz arbeitet. Dadurch lässt sich Platz und vor allem aber auch Kosten aufseiten des Speicherkondensators einsparen.«

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Morroni Dr. Jeffrey
Dr. Jeffrey Morroni, Texas Instruments: »Bei unserem bidirektionalen Abwärts-/Aufwärtswandler, dem TPS61094, lassen sich der Ladestrom für den Superkondensator und die Spannung, bei der das Laden beendet wird, einfach mithilfe von Widerständen programmieren.«
© Texas Instruments

Infineon Technologies wiederum adressiert mit seinen Backup-Ansätzen ganz andere Anwendungsfälle. So erklärt Dr. Giuseppe Bernacchia, System Architect für Telecom Applications und Head of Product Definition for Power Management IC bei Infineon Technologies, dass es dem Unternehmen hauptsächlich um Backup-Systeme mit viel höheren Spannungen und Leistungen (z. B. typische 48-V-Batterie-Backup-Systeme mit einigen kW Leistung) geht. Für diese Art von Anwendungen hat Infineon laut Bernacchia alle notwendigen Produkte entwickelt, um einen bidirektionalen Lade-/Entlade-DC-DC-Wandler zu realisieren, der das Backup-System – in diesem Anwendungsfall typischerweise mit Batterien – steuert, sowie MOSFETs zur Implementierung von ORing- und Schutzfunktionen. Bernacchia: »Die typischen Ansätze für diese Anwendungen basieren auf bidirektionalen Abwärts-/Aufwärtswandlern, die beim Laden als Abwärtswandler und beim Entladen als Aufwärtswandler arbeiten, oder auf einem 4-Switch-Buck-Boost-Wandler.«

Laut seiner Aussage bietet Infineon aber auch innovative Architekturen an, die auf dem »Partial Power Concept« (d. h. es muss nur ein kleiner Teil der gesamten Leistung prozessiert werden) basieren und es dem Kunden ermöglichen, die aus dem Backup-System gewonnene Energie vollständig zu nutzen und gleichzeitig die Größe der DC/DC-Wandler zu minimieren. Diese Ansätze ermöglichen es, große Stromversorgungssysteme zu adressieren, ohne die Komplexität zu erhöhen (normalerweise werden in solchen Systemen mehrphasige Ansätze verwendet), denn mit einer höheren Komplexität steigen typischerweise auch die Systemkosten an.

Niedriger Ruhestrom ist von entscheidender Bedeutung

John McGinty, Director of Applications bei Renesas Electronics, erklärt: »Geht es um Backup-Stromversorgungen, unabhängig davon, ob sie von einem Superkondensator oder von einer Batterie oder von beidem gespeist werden, gibt es einige wichtige technologische Aspekte, die berücksichtigt werden müssen, damit am Ende eine sichere und effiziente Backup-Stromversorgungslösung realisiert werden kann.« Ein Aspekt, den McGinty für entscheidend hält, ist ein niedriger Ruhestrom. In diesem Zusammenhang verweist er beispielsweise auf den LDO »RAA214401« und den Buck-Boost-Wandler »ISL9122A«, beides Komponenten, die sich durch einen sehr niedrigen Ruhestrom auszeichnen.

»Diese Komponenten ermöglichen den Betrieb mit Knopfzellenbatterien oder Superkondensatoren, um eine konstante Spannung für Keep-Alive-Schaltungen wie z. B. die Versorgung einer RTC oder MCU im Deep-Sleep-Modus bereitzustellen«, so McGinty weiter. Damit könnten Systeme am Laufen gehalten werden, bis die Hauptstromquelle wieder angeschlossen ist. McGinty weiter: »Wir erreichen Ruheströme von bis zu lediglich 120 nA während des Betriebs, und dank dieser extrem niedrigen Ruheströme kann eine Notstromversorgung kritische Schaltkreise über wirklich sehr lange Zeit mit Strom versorgen.«


  1. Wenn die Lichter nicht ausgehen dürfen
  2. Rückstrom sicher sperren ist wichtig

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