Stromversorgung

Mit Smart Power lässt sich alles »smart« machen

2. November 2016, 20:44 Uhr | Dr. Ahmad Bahai

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Bei den „smarten“ Stromversorgungen und ihren Folgewirkungen lassen sich mehrere Kategorien und Ausprägungen unterscheiden

Tech Trends word cloud collage, business concept background
Aktuelle technische Trends und Innovationen, die künftig die Elektronikbranche und die Halbleiterhersteller prägen.
© dizain - Shutterstock
  1. Vernetzte Stromversorgung
    Vernetzte Schaltregler-ICs und Leistungswandlermodule berücksichtigen andere Module und die allgemeinen Systemanforderungen. In einem modernen Elektroniksystem wie einem Server oder einer Mobilfunkbasisstation gibt es viele Stomversorgungs-ICs und -Module, die miteinander und mit dem übrigen System kommunizieren, um den Wirkungsgrad der  Versorgung der einzelnen Subsysteme zu verbessern. Eine zuverlässige Stromversorgung impliziert schnelle Messwerterfassung, Regelung, Sensorik und das Ein- und Ausschalten – allesamt Vorgänge, die eine Kommunikation erfordern. Digitale Kommunikations-Schnittstellen wie der Power Management Bus (PMBus) sowie einige weitere Protokolle wie der System Management Bus (SMBus) und I2C werden genutzt, um Leistungswandlermodule mit einer übergeordneten Steuerung auszustatten. Stromversorgungsprotokolle wie etwa Power over Ethernet (PoE), USB Typ C und der zur kontaktlosen Energieübertragung dienende Qi-Standard nutzen Kommunikationstechnik, um das jeweils versorgte Gerät zu authentifizieren und die zu übertragende Leistung auszuhandeln. Power System Manager, die häufig die Verteilung und Überwachung der Energie koordinieren, kommunizieren zudem mit den verschiedenen Leistungswandlern im Gerät oder System.
     
  2. Optimierung auf Systemebene
    Wussten Sie eigentlich, dass Mobiltelefone ihre Sendeleistung abhängig von der Entfernung zur nächsten Basisstation variieren, um Energie zu sparen – und die Akkulaufzeit zu verlängern – und um mögliche Interferenzen zu verringern? Viele Geräte passen ihre Sendeleistung sogar sehr schnell an, abhängig von den übertragenen Inhalten. Die Stromversorgungen der Leistungsverstärker werden zu diesem Zweck entsprechend der Hüllkurve des Funksignals moduliert, wodurch der Wirkungsgrad der HF-Leistungsverstärker steigt.
    Moderne Ladegeräte überwachen fortlaufend den Lade- und Betriebszustand des Akkus. Sie erfassen die gespeicherte Ladung, überwachen die einzelnen Zellen und die Temperatur des Akkus und optimieren den Ladestrom und die Ladespannung automatisch so, dass der Ladevorgang möglichst schnell und mit hohem Wirkungsgrad abläuft.
    Ein moderner Prozessor in einem Server kann vorab Informationen über seine Aktivitäten an die „smarte“ Stromversorgung senden und so den wechselnden Leistungsbedarf koordinieren. Ebenso kann ein Prozessor seine Charakteristika an die Stromversorgung melden, damit dieses per AVS (Adaptive Voltage Scaling) die jeweils passende Spannung für den Prozessor bereitstellen kann.
     
  3. Adaptiv im Betrieb anpassbare Leistungswandler
    Leistungswandler passen über ihre Regelkreise die abgegebene Leistung an. Dieser Regelkreis entscheidet über die transiente und statische Leistungsfähigkeit des Leistungswandlers. Traditionell wurden Schaltwandler mit analogen Regelungen ausgestattet. Schon lange untersucht man den Einsatz fortschrittlicher adaptiver Regelungsalgorithmen, doch erst seit Kurzem setzt man in Schaltreglern in größerem Umfang auf digitale und Mixed-Signal-Regelungen.
    Der Mehraufwand für die Digitalisierung und digitale Signalverarbeitung ist mittlerweile sehr wohl gerechtfertigt. Dies gilt insbesondere für Anwendungen mit höherer Leistung, in denen die von den zusätzlichen digitalen Schaltungen aufgenommene Leistung vernachlässigbar ist. Das Spektrum der verwendeten digitalen und Mixed-Signal-Regelungen reicht von PID-Reglern (Proportional, Integral, Differenzial) bis zu aufwändigeren prozessorbasierten Regelkreisen mit ausgefeilten Algorithmen. Die dynamische Anpassung der Parameter eines Leistungswandlers, um sein Verhalten und seine Leistungsfähigkeit bei unterschiedlichen Lastbedingungen zu optimieren, ist darüber hinaus eine höchst wünschenswerte Fähigkeit, um den Wirkungsgrad bei geringer wie bei maximaler Last zu steigern und das Ansprechverhalten zu verbessern.
    Wichtige Innovationen in der Schaltungstechnik, wie das Schalten im Nulldurchgang (soft switching) mit hoher Frequenz, Mehrphasen-Wandler und die Regelung mithilfe von Signalverarbeitungsalgorithmen, haben die Entwicklung des „smarten“ Power-Managements vorangetrieben. Zwischenzeitlich wurde auch die Halbleitertechnik weiterentwickelt: Mit BCD-Fertigungsprozessen (Bipolar, CMOS, DMOS) lassen sich Analog- und Digitalschaltkreise mit Leistungshalbleitern auf einem Chip kombinieren. Fortschritte im Bereich der Galliumnitrid- (GaN) und Siliziumcarbid-Halbleiter (SiC) haben die Gütefaktoren (Figures of Merit) der Leistungstransistoren sprunghaft verbessert.

Das Power-Management innerhalb des Ökosystems für elektrische Energie entwickelt sich zu einer immer größeren Herausforderung. Die Halbleiterindustrie stellt sich darauf ein und entwickelt Produkte für „smarte“ Leistungswandler und bietet damit Möglichkeiten die Effizienz im gesamten Energie-Ökosystem zu steigern –  von der Erzeugung bis zur Nutzung.

 

Literatur

[1] Tolbert, L. M.; et al.: Power Electronics for Distributed Energy Systems and Transmission and Distribution Applications. Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Dezember 2005.

[2] Singh, A.; Venkat, K.: Smart power opens door to more efficient electrical use. Texas Instruments, Whitepaper, März 2016.

[3] Bahl, S.: Let’s GaN together, reliably. Texas Instruments, TI E2E Community, Blogs, Power House.

[4] LM5140-Q1 Wide Input Range Dual Synchronous Buck Controller. Texas Instruments, Datenblatt.

[5] Cumps, J.: Control a GaN power stage with a Hercules LaunchPad development kit – part 2. TI E2E Community, Blogs, Power House.

[6] 10687, G.: Don’t say goodbye to your power supply. E2E Community, Blogs, Power House.

 

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Dr. Ahmad Bahai

ist Cheftechnologe im Vorstand von Texas Instruments sowie Direktor von TI Corporate Research, Kilby Labs, beratender Professor an der Stanford University und IEEE Fellow. Er leitete zuvor als CTO bei National Semiconductor die Forschungslabors. Bis 1997 war Dr. Bahai bei den Bell Laboratories als technischer Leiter der Forschungsgruppe für Kommunikationstechnik und Signalverarbeitung zuständig und war Professor auf Zeit an der University of California, Berkeley. Später gründete er die Firma Algorex, ein IC-Entwicklungsunternehmen spezialisiert auf Kommunikationstechnik und Akustik, das von National Semiconductor gekauft wurde. Dr. Bahai ist Miterfinder der Multiträger-Modulation mit Frequenzspreizung, die in vielen modernen Kommunikationssystemen, wie 4G-Mobilfunk und Power-Line verwendet wird. Er verfasste 1999 das erste Lehrbuch zum Orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM), arbeitete fünf Jahre als Redakteur für IEEE-Zeitschriften und engagierte sich bis 2011 im technischen Lenkungsausschuss der International Solid-State Circuits Conference (ISSCC).

Dr. Bahai hat mehr als 80 IEEE-/IEE-Publikationen veröffentlicht und hält 38 Patente. Seinem Elektrotechnikstudium (Master of Science) am Imperial College, University of London, folgte die Promotion (Ph.D.), ebenfalls in Elektrotechnik, durch die University of California in Berkeley.

 


  1. Mit Smart Power lässt sich alles »smart« machen
  2. Bei den „smarten“ Stromversorgungen und ihren Folgewirkungen lassen sich mehrere Kategorien und Ausprägungen unterscheiden

Verwandte Artikel

Texas Instruments, Texas Instruments Deutschland GmbH