Stromspartechniken

Digitales Power-Management hilft in Schaltnetzteilen die Effizienz auch bei geringer Last zu erhöhen

03.03.11 | Redakteur: Gerd Kucera

Basierend auf sich schnell entwickelnden digitalen Steuerungstechniken stellen die Autoren fest, dass Digital-Power-Lösungen beim Energiesparen der Zukunft eine wichtigere Rolle spielen werden.
Basierend auf sich schnell entwickelnden digitalen Steuerungstechniken stellen die Autoren fest, dass Digital-Power-Lösungen beim Energiesparen der Zukunft eine wichtigere Rolle spielen werden.

Die hier vorgestellten Stromspartechniken, in denen sich die Digital-Power-Technik von Analogkonzepten unterscheidet, helfen sowohl bei hohen als auch niedrigen Lasten deutlich Energie einzusparen.

Aufgrund von Eigenschaften wie hohe Flexibilität, weiterentwickelte Echtzeit-Steueralgorithmen und intelligente Betriebsarten lässt sich mit der Digital-Power-Technologie sowohl bei geringen als auch bei hohen Lasten kostbare elektrische Energie einsparen. Zu den hier vorgestellten Stromspartechniken, welche die Digital-Power-Technologie von bisherigen analogen Steuerungskonzepten unterscheiden, gehören die Frequenzsteuerung der Versorgungsspannung am Eingang, die adaptive Totzeitsteuerung, die Betriebsarten Light- und Deep-Light-Load, Phasen-Abschaltsteuerung sowie Cold Redundancy.

Analysen aus dem praktischen Betrieb sowie Versuchsergebnisse werden präsentiert. Basierend auf sich schnell entwickelnden digitalen Steuerungstechniken stellen die Autoren fest, dass Digital-Power-Lösungen beim Energiesparen der Zukunft eine wichtigere Rolle spielen werden.

Warum Energie sparen so wichtig ist

Energie sparen senkt den Kohlendioxidausstoß, entlastet die Umwelt, fördert einen grüneren Lebensstil und reduziert die Kosten von Anwendungen mit hohen Energieausgaben. Speziell dann, wenn zur Kühlung von Verlustwärme Klimaanlagen erforderlich sind. Der vorliegende Beitrag stellt Methodiken zum Energiesparen in Schaltnetzteilen vor, welche auf Digital-Power-Technologie basieren.

Steuerung der Schaltfrequenz gemäß der Versorgungsspannung

Zu den Hauptursachen für den Energieverlust in einem Schaltnetzteil gehören Schaltverluste, Verluste im Magnetkern, Kupferverluste, Gate-Treiber-Verluste und Ripplestrom, welcher durch den inneren Verlustwiderstand des Kondensators (ESR, Equivalent Series Resistance) fließt. Die Höhe der Schaltfrequenz wirkt sich direkt auf diese Verluste aus. In diesem Abschnitt wird versucht, die Schaltfrequenz zu optimieren, um bei gleich bleibender Leistungsfähigkeit geringere Energieverluste zu erzielen.

Bild 1: Ausgangsseitiger Ripplestrom über die Eingangsspannung
Bild 1: Ausgangsseitiger Ripplestrom über die Eingangsspannung

Bild 1 zeigt ein Beispiel von ausgangsseitigem Ripplestrom in Abhängigkeit von der Eingangsspannung. Das Diagramm verdeutlicht, dass sich der Ausgangsstrom nicht linear zu Eingangsspannung verhält. Um die ausgangsseitigen Ripplespezifikationen zu erreichen, sollte die Schaltfrequenz hoch genug sein, damit die Stromänderung bei der maximalen Eingangsspannung sich innerhalb des Limits befindet. Die Effizienz wird bei den meisten Eingangsspannungen jedoch nicht optimal sein.

Ergänzendes zum Thema
 
Digital ist besser

Falls man ermöglicht, dass sich die Schaltfrequenz mit einem entsprechenden Algorithmus verändert, darf sie bei niedriger Versorgungsspannung reduziert werden. In diesem Fall kann die Stromversorgung sowohl eine hohe Effizienz wie auch einen akzeptablen Ausgangsripplestrom erreichen. Ein solcher Algorithmus lässt sich leicht mit einem Digital-Power-Controller implementieren.

Adaptive Totzeitsteuerung

Eine geeignete Einstellung der Totzeit ist zur Steigerung der Effizienz wichtig, wobei eine lange Totzeit den Energieverlust aufgrund von Schaltverlusten und hohen Durchlassverlusten in der Body-Diode erhöht. Auch eine kurze Totzeit erhöht den Energieverlust, da es dann zu einem ungewollten, gleichzeitigen Stromfluss in mehreren Treiberstufen der Brücke kommt. Eine optimierte Totzeit ist erforderlich, um eine hohe Effizienz zu erzielen. Allerdings sind die optimierten Totzeitwerte je nach Betriebssituation wie etwa Volllast oder geringe Lasten (Light Load) sowie hohe oder niedrige Netzspannung verschieden.

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