Digital Power

Erfüllte Verheißungen

12. November 2010, 11:02 Uhr | Bill Hutchings

Seit mindestens einem Jahrzehnt wird »Digital Power« diskutiert, doch durchgesetzt hat es sich bislang nur bei Premium-Stromversorgungen höherer Leistung. Doch mit entsprechend kostengünstigen Signalcontrollern können auch Low-Cost-Netzteile niedrigerer Leistung in den Genuss der Vorteile der digitalen Regelung kommen.

Schaltnetzteile wurden bislang meist auf herkömmliche Weise mit rein analogen Schaltkreisen geregelt. Kostengünstige digitale Signalcontroller (DSCs) können einen gangbaren Weg weisen, die Vorteile digital geregelter Netzteile zu nutzen.

Ein detaillierter Vergleich der Materialkosten zeigt immer wieder, dass sie meist unter denen für ein gleich ausgestattetes analoges Netzteil liegen. Doch die einfache Summierung der Kosten für die Komponenten spiegelt nicht die ganze Wahrheit wider.

Bei digitalen Stromversorgungen gibt es eine ganze Reihe zusätzlicher Einsparungen: Zum einen durch das einfachere Layout, die kleineren Leiterplatten sowie deren kostengünstigere Herstellung und Montage und zum anderen durch die verbesserte Qualität und Zuverlässigkeit.

Zudem lassen sich moderne Wandlertopologien einfach, flexibel und nichtlinear regeln, Zusatzfunktionen lassen sich oft ohne Mehrkosten in Software implementieren.

Oft wird angemerkt, dass eine digitale Lösung besondere Gate- Treiber für die MOSFETs benötige, während sich bei analog geregelten Netzteilen die Treiber auf dem Chip befänden.

Dies gilt für Stromversorgungen niedriger Leistung, bei höheren Leistungen brauchen jedoch auch analoge Lösungen externe Gate-Treiber. Im Folgenden wollen wir ein zweistufiges Netzteil untersuchen und die analoge der digitalen Implementierung gegenüberstellen.

Bild 1: Blockschaltbild eines herkömmlichen, analog geregelten Netzteils (links) und eines digital geregelten Netzteils
© Microchip Technology

Bild 1 zeigt auf der linken Seite das analog, rechts das digital geregelte Netzteil, bestehend jeweils aus:

  • Leistungsteil (Power Train; rot): Halbleiterschalter, Drosseln, Kondensatoren und Leistungstransformatoren,
  • Leistungstreiber (Drive Circuits; gelb): Gate-Treiber und Hilfsschaltungen,
  • Rückkopplung (Feedback Circuits; grün): Sensoren, Verstärker und Widerstandsnetzwerke,
  • Regelung (PFC- und DC/DCController; blau): zugeordnete Regler für jede Leistungsstufe und
  • Verwaltung (Housekeeping; magenta): ein zugeordneter Mikrocontroller und Hilfsschaltungen für Ablaufsteuerung, Überwachung und Kommunikation.

Der Eingangswandler besteht aus einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC) mit Dauer-Boost und die zweite Stufe aus einem phasenmodulierten DC/DC-Vollbrückenwandler. Einige dieser Elemente, zum Beispiel der Leistungsteil, Treiber und Rückkopplungszweige, sind in einem analogen oder digitalen Netzteil im Wesentlichen identisch.

Dabei lassen sich sowohl der zugeordnete »analoge« Regler als auch die organisierende MCU in einem einzigen DSC vom Typ »dsPIC« von Microchip kombinieren. Bild 1 veranschaulicht nur die wesentlichen Unterschiede. Alle Hilfsschaltungen müssen allerdings in den Vergleich einbezogen werden.

Jede Stufe des analogen Netzteils erfordert typischerweise Hilfsspannungsversorgungen und Einschaltflankenausblendung (leading edge blanking), Oszillator, Ablaufsteuerung, Softstart und Kompensationsfunktionen. Sie alle sind mit einem zentralen Controller verbunden.

Eine digitale Implementierung wird dennoch Hardware für die Hilfsspannungserzeugung benötigen, alle anderen oben genannten Funktionen kann Software auf dem zentralen Controller übernehmen. Dadurch sind nicht nur weniger Komponenten nötig, sondern auch erheblich weniger physikalische Verbindungen (Leiterbahnen).

Die Stücklistenanalyse sollte die Kosten für die Hilfsschaltungen, den Aufwand für Schaltung und die Größe der Platine berücksichtigen. Einige der oben bezeichneten Funktionen benötigen (in der analogen Implementierung) nur wenige passive Komponenten, während andere höhere Kosten verursachen (z.B. eine separate MCU für Verwaltungsfunktionen).

Optimierte Effizienz

In den letzten Jahren haben kontinuierliche Verbesserungen der Leistungstransistoren und der Einsatz neuartiger Topologien den Wirkungsgrad digitaler Netzteile erheblich gesteigert. Jedoch bezieht sich der maximale Wirkungsgrad zumeist auf besonders spezifizierte Betriebsbedingungen (der Spitzenwirkungsgrad kann so für halbe Last oder normal hohe Netzspannung angegeben sein).

Und so bieten digitale Netzteile vielseitige Optimierungsmöglichkeiten des Wirkungsgrades bei verschiedenen Arbeitspunkten. Für den PFC-Hochsetzsteller lassen sich die Schaltverluste bei geringerer Last reduzieren, indem der Konverter bei niedrigerer Frequenz betrieben wird, wobei auch die magnetischen Komponenten lastbedingt immer noch angemessen funktionieren.

Bei einem mehrphasigen PFC-Wandler (interleaved) kann der Controller bei niedrigeren Lasten eine Phase ausschalten. In ähnlicher Weise lassen sich bei einem phasenmodulierten Vollbrückenwandler zusätzliche Schaltverluste bei niedrigen Lasten eliminieren, indem die Synchron-MOSFETs abgeschaltet und stattdessen deren Body-Dioden genutzt werden.

Nicht viel anders sieht es bei einem Tiefsetzsteller aus. Synchrone Tiefsetzsteller werden vornehmlich für hohe Ausgangsströme eingesetzt. Der Einsatz eines synchronen MOSFETs führt bei niedrigen Lasten zu zirkulierenden Strömen und damit zu höheren Verlusten.

Deshalb lässt sich der Synchron-MOSFET in einem Tiefsetzsteller sperren, sobald der Wandler im lückenden Betrieb (discontinuous current mode) arbeitet. Der Einsatz derartiger Techniken, verbunden mit modernen Wandlertopologien (z.B. resonante und quasiresonante Sperrwandler), steigert den Wirkungsgrad.

Die digitale Regelung unterstützt solche Architekturen einschließlich der phasenmodulierten Vollbrückenwandler und resonanten Sperrwandler, sodass zudem hohe Leistungsdichten erreicht werden. Im Ergebnis ist festzuhalten: Die digitale Regelung bietet viele Möglichkeiten, den Wirkungsgrad eines Netzteils über den gesamten Betriebsbereich zu optimieren.


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