AC/DC-Netzteile PFC/LLC-Combo-Controller bietet mehr Entwicklungs-Flexibilität

Autor / Redakteur: Zhihong Yu * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Bei der Entwicklung einer Stromversorgung kommt es vor allem auf Leistung und Kosten an. Meist mangelt es aber in Sachen Design- Flexibilität. Die Lösung: ein digitaler PFC/LLC-Combo-Controller.

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Das Entwicklungsboard für digitale PFC- und LLC-Controller: Es hat einen integrierten I2C/USB-Adapter zum Anschluss an den PC. Über die mitgelieferte GUI-Software können das Design im Betrieb optimiert und die Leistungsparameter in Echtzeit ausgelesen werden.
Das Entwicklungsboard für digitale PFC- und LLC-Controller: Es hat einen integrierten I2C/USB-Adapter zum Anschluss an den PC. Über die mitgelieferte GUI-Software können das Design im Betrieb optimiert und die Leistungsparameter in Echtzeit ausgelesen werden.
(Bild: MPS)

Bei AC/DC-Netzteilen mit Weitbereichseingang und einem Leistungsbereich von 80 bis 800 W wird häufig eine einstufige Hochsetz-Leistungsfaktorkorrektur (PFC) mit einer Halbbrücken LLC-Schaltung kombiniert. Traditionell werden solche Netzteile mit Bauteilen, bestehend aus analoger PFC-Schaltung und nachfolgendem LLC-Controller, realisiert. Dieser zweistufige Ansatz ist aber selbst für erfahrene Entwickler nicht ganz einfach zu realisieren.

Typischerweise können solche Schaltungen aus mehr als hundert Komponenten bestehen. Deshalb kann es Wochen oder sogar Monate dauern, bis ein Prototyp aufgebaut und vollständig getestet ist. Vom funktionsfähigen Prototypen bis zur Serienreife dauert es meist bis zu einem Jahr, bei besonders komplexen Designs sogar noch länger. Nicht zuletzt kann es durch Änderungswünsche des Endkunden zu einem kompletten Neuentwurf der Schaltung mit anderen Bauteilen kommen, da die ausgewählten ICs die neuen Anforderungen nicht erfüllen können.

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Wurde zum Beispiel ein Bauteil ausgewählt, das im Überstromfall abschaltet und nach der Fehlerbeseitigung nicht wieder automatisch anläuft, was aber im neuen Anforderungsprofil verlangt wird, dann bedingt das meist den Wechsel des eingesetzten Bausteins. Dies führt zu zusätzlichen Verzögerungen durch die erneute Auswahl eines geeigneten Bausteins und die Zeit für die Dimensionierung der neuen Schaltung.

Ein weiteres Hindernis sind die sich ständig ändernden Vorschriften für Netzteile. In diesem Jahr tritt zum Beispiel der Europäische CoC-Standard Tier 2 in Kraft. Diese Vorschrift reduziert die zulässige Verlustleistung im Leerlauf auf unter 75 bzw. 150 mW (Tabelle 1). Viele aktuelle Netzteile können diese Norm nicht erfüllen und müssen deshalb ersetzt werden.

Speziell für den PC-Markt fordern immer mehr Endkunden den Wirkungsgrad und den Leistungsfaktor der Netzteile zu verbessern, um Gold-, Platin- oder sogar Titan-Effizienz-Standards erfüllen zu können (Tabelle 2).

Einige Anforderungen sind rein analog nur schwer zu erfüllen

Neben der Energieeffizienz werden auch Eigenschaften wie hoher Leistungsfaktor, schnelles Einschwingverhalten, Multi-Level-Schutzfunktionen und vieles mehr gefordert. Einige dieser Anforderungen sind durch rein analoge Lösungen nur schwer bis gar nicht zu erfüllen. Als Reaktion darauf, greifen Netzteilhersteller vermehrt auf digitale Lösungen zurück, um zum Beispiel einen hohen Wirkungsgrad und Leistungsfaktor über einen weiten Eingangsspannungs- und Lastbereich zu erreichen. Der zusätzliche Einsatz von DSPs oder MCUs zur Verwirklichung der digitalen Steuerung erfordert aber neben Digital-Designern auch erfahrene Software-Ingenieure. Das alles schlägt sich in den Entwicklungs- und Produktionskosten nieder. Digitale Lösungen werden deshalb oft als „High-End-und teuer“ bewertet.

Herausforderungen bei der Entwicklung von AC/DC-Netzteilen

Zusammenfassend hier einige der Herausforderungen bei der Entwicklung von AC/DC-Netzteilen: Schnelle Verwirklichung von Kundenwünschen während der verschiedenen Design- und Produktionsphasen:

  • Forderung nach hohem Wirkungsgrad und Leistungsfaktor von Leerlauf bis Volllast,
  • Kosten und Komplexität DSP/MCU-basierender digitaler Regelungen.

Eine Lösung ist die Verwendung eines applikationsspezifischen digitalen Kerns, der entsprechend der Anforderungen an AC/DC-Netzteile die erforderliche Rechenleistung, Speichergröße und Peripherie zur Verfügung stellt. Die wichtigsten Funktionen werden über eine grafische Benutzeroberfläche konfiguriert (Bild 2). Die Vorteile einer solchen Lösung sind:

  • Flexibles Design – viele wichtige Funktionen können einfach und ohne Kostenerhöhung geändert werden. Selbst während der Produktion (z.B. beim Endtest) kann das Netzteil noch entsprechend konfiguriert werden,
  • höherer Wirkungsgrad und höherer Leistungsfaktor, als es mit reiner Analogtechnik möglich ist,
  • ähnliche Kosten wie beim traditionellen Analogregler.

Auf diese Weise muss ein Netzteil-Entwickler nicht extra zum Programmierer werden, kann aber trotzdem die Vorteile von digitalen Regelungen nutzen. Letztlich kann die digitale Lösung sogar aufgrund des Wegfalls bestimmter externer Komponenten, beispielsweise der verschiedenen passiven Bauteile zur Einstellung der Frequenz oder anderer Parameter, die Bauteilkosten reduzieren.

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