Power Management Flexibles Stromversorgungssystem für Mikrocontroller

Autor / Redakteur: Stefan Schauer * / Holger Heller

Die Stromversorgung für MCUs in Energiezählern oder Durchflussmessern erfolgt je nach Anwendung aus unterschiedlichen Quellen und muss dementsprechend flexibel sein.

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Einphasen-Stromzähler für das Wechselstromnetz: Das Messelement wird während der Nutzungszeit in unterschiedlichen Betriebsarten eingesetzt
Einphasen-Stromzähler für das Wechselstromnetz: Das Messelement wird während der Nutzungszeit in unterschiedlichen Betriebsarten eingesetzt
(Texas Instruments)

In der Vergangenheit setzte man hierbei auf verschiedene Schaltungsarchitekturen mit zusätzlichen Bauelementen außerhalb des eigentlichen Messbausteins. Die meisten dieser Lösungen sind jedoch mit Nachteilen behaftet, zumal die Kosten für die externen Bauteile, auch wenn es sich nur um einfache Dioden handelt, erheblich zu Buche schlagen können. Für Entwickler besteht die Herausforderung darin, das preisgünstigste Stromversorgungssystem für diesen stückzahlintensiven und kostensensiblen Markt zu entwickeln.

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Bei jedem Mikrocontroller erfordert das Design der Stromversorgung höchste Sorgfalt, damit über die gesamte, je nach Anwendung unter Umständen jahrzehntelange Nutzungsdauer des jeweiligen Produkts ein stabiler und zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist. Maximaler Wirkungsgrad, minimale Kosten und kleinste Abmessungen stehen auf der Anforderungsliste ganz oben, gelegentlich ergänzt durch die Forderung nach Beständigkeit gegen raue Einsatzbedingungen und Manipulationsversuche.

Wenn die Anwendung abgesehen von der reinen Messung auch die Gebührenerfassung einschließt, sind verschiedene Zertifizierungen erforderlich, und es werden zusätzlich hohe Erwartungen an die Qualität des Gesamtdesigns gestellt. Dies gilt beispielsweise für Zähler zur Erfassung des Verbrauchs von Gas, Elektrizität und Wasser. Hier gelten strenge Richtlinien, kombiniert mit hohen Systemanforderungen und einem hohen Druck zur Senkung der Produktionskosten.

Primäre, sekundäre und Backup-Spannungsquellen

In elektronischen Stromzählern werden an das Stromversorgungssystem besonders hohe Anforderungen gestellt, wird es doch direkt an das Wechselstromnetz angeschlossen und dementsprechend mit starken Störungen und Spannungsspitzen konfrontiert. Zähler dieser Art besitzen häufig mehrere primäre, sekundäre und Backup-Spannungsquellen. Die verwendeten Stromversorgungen müssen deshalb so flexibel sein, dass sie übergangslos zwischen verschiedenen Betriebsarten wechseln können.

Da das Wechselstromnetz im normalen Messbetrieb verfügbar ist, spricht nichts dagegen, das gesamte System hieraus mit Strom zu versorgen. Allerdings können abhängig von den regionalen Vorschriften verschiedene weitere Stromversorgungen notwendig sein. Am häufigsten gefordert wird eine eigene Stromversorgung für die im Mikrocontroller enthaltene Echtzeituhr (Real Time Clock – RTC) und Kalenderfunktionen.

Benötigt wird dies für Zähler, die zwischen verschiedenen Tarifen wechseln und deshalb die Uhrzeit sehr präzise einhalten müssen. Um sicherzustellen, dass die RTC-Funktion stets korrekt arbeitet, verlangen zahlreiche Staaten (u.a. Türkei und Indien), hierfür eine unabhängige, stabile und ununterbrochen verfügbare Stromversorgung.

In einem typischen Einphasen-Stromzählers zum Anschluss an das Wechselstromnetz wird das Messelement des Zählers während der Nutzungszeit in unterschiedlichen Betriebsarten eingesetzt:

1. Messbetrieb bei verfügbarer Netzspannung

Das Wechselstromnetz ist die normalerweise genutzte Quelle zur Versorgung des Energiezählers. In der Regel ist Energie im Überfluss verfügbar, sodass die Versorgung des Mikrocontrollers keinerlei Schwierigkeiten bereiten würde, wäre da nicht die Forderung, die Stromversorgung so kosteneffizient wie möglich zu gestalten.

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