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Schaltungstechniken helfen

Energieeffizienz und Wirkungsgrad sind wichtiger denn je

29. September 2023, 9:00 Uhr | Iris Stroh

Energieeffizienz/Wirkungsgrad ist in aller Munde. Die Halbleiterhersteller nutzen viele Ansätze, um den Wirkungsgrad ihrer Power-Management-Produkte zu erhöhen, zum Nutzen der Entwickler, denn das wirkt sich auch durchaus positiv auf das Endsystem aus.

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In vielen Fällen haben Halbleiterhersteller proprietäre und patentierte Technologien entwickelt, um die Energieeffizienz zu erhöhen, gleichzeitig haben sich aber auch Ansätze entwickelt, die jeder der Hersteller verfolgt, einfach, weil sie sich bewährt haben. Welche Wege einzelne Firmen gehen, ist im Folgenden aufgeführt.

Analog Devices

Frederik Dostal, Power-Experte von Analog Devices, erklärt beispielsweise, dass das Unternehmen unter anderem die Energieeffizienz steigert, indem bei getakteten Spannungswandlern auf eine hohe Flankensteilheit der Schaltübergänge gesetzt wird. Kann nicht jeder, denn damit sind typischerweise Nachteile wie schlechteres EMV-Verhalten verbunden, aber: »Diese Nachteile können wir durch unsere „Silent Switcher“-Technologie ausgleichen und gleichzeitig die Schaltverluste stark reduzieren.«

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Für Systeme mit sehr geringer Leistung setzt das Unternehmen wiederum auf seine Nanopower-Technologie, Dostal weiter. »Hier wird schaltungstechnisch sichergestellt, dass nur sehr geringe Bias-Ströme fließen, sodass die Eigenstromaufnahme eines abwärtswandelnden Schaltreglers bei lediglich 80 nA liegen kann.«

Infineon Technologies

Helen Ding, Head of The Control & Protection ICs PDE/PA bei Infineon Technologies, wiederum verweist darauf, dass Soft-Switching oder Zero Voltage Switching (ZVS) einen Weg zu effizienteren Produkten darstellt. Infineon verwende verschiedene Arten solcher Schaltungen, von den bekannten CrCM PFC- (Critical Conduction Mode, Leistungsfaktorkorrektur), LLC- und phasenverschobenen Vollbrückentopologien, bis hin zu Infineon-eigenen Topologien wie ZVS Switched-Capacitor (ZSC), Hybrid Switched Capacitor (HSC), Dual-Stage Regulated Hybrid Switched Capacitor (DR-HSC) und Regulated Hybrid Switched Capacitor (RHSC). Ding: »Diese können den Wirkungsgrad im Vergleich zu hart schaltenden Topologien um über 1 Prozent verbessern.«

Darüber hinaus verweist sie auf die 80-V-MOSFETs aus der OptiMOS 6-Serie, die »den niedrigsten RDS(on) bei gleichzeitig geringeren Schaltverlusten mit verbesserten FOMs aufweisen und einen Drop-in-Ersatz bieten, um den Wirkungsgrad im Vergleich zu bisherigen Hardware-Designs zu verbessern.«

Fortschrittliche Power-Controller wie die XDP-Controller wiederum nutzen Techniken wie Burst-Mode, Dioden-Emulationsmodus und Phase-Dropping, um die Leistungsaufnahme bei geringer Last zu reduzieren. Der Controller selbst sorgt für einen niedrigen Ruhestrom, um die Energieeffizienz zu gewährleisten. Und Ding weiter: »Controller mit Schlafmodusfunktion reduzieren den Leerlaufverlust bei geringer Last weiter.«

Microchip Technology

Ben Dowlat, Senior Manager of Product Marketing in der Analog and Interface Products Division von Microchip, erklärt: »Wir haben neue proprietäre Strommessblöcke entwickelt. Diese patentierte, einzigartige Architektur wird in verschiedenen Power-Controller- und Schalt-IC-Topologien eingesetzt und damit die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Strommessung zu verbessern sowie eine Unabhängigkeit vom Gleichtaktbereich zu erlauben. Dieser einzigartige Funktionsblock ermöglicht es dem Entwickler, ein kleineres Strommesselement zu verwenden, was den Wärmeverlust verringert und damit die Systemeffizienz erhöht. Die genauere Messung macht es für den Systementwickler außerdem möglich, kleinere Komponenten einzusetzen, was wiederum die Gesamtkosten des Systems senkt.« Microchip hat laut Dowlat außerdem ganz neu einen weiteren Funktionsblock zur Totzeitregelung entwickelt und patentieren lassen. Dieser bietet eine wirklich dynamische Regelschleife und minimiert die Totzeiten, vollkommen unabhängig von der Art des genutzten Leistungsschalters. Microchip will diesen Funktionsblock in Zukunft in verschiedenen Power-Management-ICs zum Einsatz bringen, mit dem Vorteil: »Die genaue Totzeitregelung korreliert direkt mit den Schaltverlusten in einem PWM-Controller und -Schalter«, so Dowlat weiter.

Renesas Electronics

John Wiggenhorn, Power Senior Product Line Director, Renesas Electronics, verweist darauf, dass Renesas beispielsweise auf eine konstante Einschaltzeit (COT) setzt, denn damit lässt sich der Gesamtwirkungsgrad im Vergleich zur herkömmlichen Stromsteuerung erhöhen. COT zeichne sich bei geringer und keiner Last durch geringere Schaltverluste und damit eine höhere Effizienz aus. Wiggenhorn weiter: »Renesas nutzt aber auch hervorragende Schalt-FETS, die mit einer niedrigen Gate-Kapazität und einem geringen Kanalwiderstand aufwarten, was wiederum einen hohen Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich zur Folge hat.« Im Standby-Modus werde der Wirkungsgrad durch ein sorgfältiges Design jedes einzelnen Schaltungsblocks innerhalb der Produkte weiter erhöht. Jeder Block ist auf einen möglichst niedrigen Betriebsstrom ausgelegt. Manchmal werden spezielle Schaltungstechniken eingesetzt, um zu erkennen, wann sich das Produkt im Standby-Modus befindet, um in einen Modus mit extrem niedrigem Stromverbrauch zu wechseln. »Dies ist besonders wichtig für Batterieanwendungen, aber auch für IoT-, Smart-Home- und Factory-Anwendungen«, so Wiggenhorn.