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Stromversorgung

Vom LDO zum Power Management

16. Dezember 2013, 14:23 Uhr | Jens Würtenberg

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Ausweitung der Kampfzone

Die Ausweitung der Aufgaben, die an eine Systemstromversorgung im System gestellt werden, hat wiederum auf einen Weg geführt, der mit dem Schlagwort "Digital Power" charakterisiert werden kann. Schon früh hat sich bei den Konfiguratoren großer informationstechnischer Systeme, etwa für die Telekommunikation, die Erkenntnis durchgesetzt, dass eine bidirektionale Kommunikation für Überwachung und Steuerung lokaler Stromversorgungeinheiten wo etwas wie die aus der Automatisierungstechnik bekannten Feldbusse implementiert werden müsse. Diese Idee hat ihre Ausgestaltung im PMBus gefunden. Bei den Stromversorgungsschaltungen, also den DC/DC-Wandlern, wiederum hat die Forderung nach immer höheren Wirkungsgraden dazu geführt, dass die Regelkreis digital ausgeführt werden. Der Nachteil, alle analogen Signale - und Strom und Spannung sind nun einmal analoge Größe - müssen über A/D-Umsetzer für die digitalen Recheneinheiten aufbereitet werden; die Ergebnisse können meist über PWM-Stufen in die "Außenwelt" eingreifen. Die Digitalisierung der Regelstrecke wiederum erlaubt eine Optimierung des Systems auf unterschiedliche Lastzustände. Wird nämlich eine herkömmliche DC/DC-Wandlerschaltung nicht in der Nähe der spezifizierten maximalen Leistung betrieben, sinkt der Wirkungsgrad deutlich. Digitale Regler können bei unterschiedlichen Lastzuständen auf andere Regelalgorithmen zurückgreifen und so die Verluste wirksam begrenzen.

Energieversorgung für autarke Systeme

Für den Entwickler elektronischer Geräte und Systeme kommt der Strom immer noch aus der Steckdose. Entsprechend geht es darum, eine vergleichsweise hohe Wechsel- oder Gleichspannung mit einem bestmöglichen Wirkungsgrad und geringstmöglichen Leitungsverlusten an die elektronischen Systeme und Bauelemente heranzuführen. Ganz anders sieht dies bei mobilen und autonomen Geräten aus, die ihre Energie aus anderen Energiequellen beziehen. Neben den Solarzellen haben sich hier sogenannte Energy Harvester etabliert, mit denen Systeme versorgt werden können, die nur gelegentlich aktiv oder aktiviert werden.

Auch hier ist zu beobachten, dass mit der Einführung eines neuen technischen Konzepts eine Fülle von neuen Lösungen auftaucht, die miteinander im Wettbewerb stehen und von denen sich nur einige wenige als Standardlösungen am Markt durchsetzen werden. Ein aktuelles Beispiel sind die Flachbildschirme, bei denen sich mittlerweile das LC-Display trotz anfänglicher technischer Nachteile (Betrachtungswinkel, Bildwiederholrate) dann gegen die Konkurrenz (Plasma, SED) durchgesetzt hat und deren Ablösung etwa durch OLED- oder MEMS-Displays noch nicht auf der Tagesordnung steht.

Nun sind also bei den Stromversorgungen die ersten integrierten Bausteine auf dem Markt, die etwa einen akkugepufferten Betrieb eines autonomen Sensors ermöglichen, der mit unterschiedlichen Energiequellen gespeist wird; etwa ein MEMS Harvester und ein Solar-Modul. Dabei besteht die Schwierigkeit, wie auch in den großen Energieübertragungsnetzen, darin, die Energie aus den unregelmäßig liefernden Quellen so aufzubereiten, dass der Akku in jedem Betriebszustand optimal geladen werden und der zu aktive Baustein mit möglichst geringen Verlusten auf der Regelstrecke versorgt wird. Ein aktueller Baustein nutzt hierzu die Kombination aus einem Aufwärtsregler (für die Akku-Versorgung) und einem LDO-Längsregler für die rauscharme Versorgung eines Transceivers.