Für die Spannungsversorgung elektronischer Systeme sind oft speziell in der Leistungselektronik qualifizierte Entwickler zuständig. Größere Unternehmen, die sich solche spezialisierten Ressourcen leisten können, dürften damit kein Problem haben. Auch bei seriellen Entwicklungsprozessen, bei denen der endgültige Leistungsbedarf des Systems erst nach dem Leiterplattenlayout feststeht, ist dies keine besondere Herausforderung. Solche Strukturen und Prozesse sind jedoch immer seltener anzutreffen.

Heute müssen Entwickler das gesamte System inklusive Stromversorgung entwickeln. Dabei erfordern ständig kürzere Markteinführungszeiten einen parallelen Entwicklungsprozess. Welche Anforderungen die Stromversorgung beziehungsweise Leistungselektronik erfüllen muss, sollte daher bereits vor dem endgültigen Systemlayout bekannt sein. Diese Aufgabe ist jedoch selbst für erfahrene Leistungselektroniker eine große Herausforderung. Wie also können Ingenieure ohne große Erfahrung mit Schaltnetzteilen die Situation meistern?

Eckdaten

Stromversorgungen für eine Vielzahl von Anwendungen, angefangen bei Industriebeleuchtungen bis hin zu Motorsteuerungen, lassen sich mit dem Power-Supply-Web-Designer innerhalb kurzer Zeit entwickeln.

Für nicht auf Stromversorgungen spezialisierte Entwickler ist es oft schon eine Herausforderung, die erforderlichen Zertifizierungen nach UL für Sicherheit sowie FCC und CE für die elektromagnetische Verträglichkeit zu erreichen. Noch wichtiger ist ein effizientes Energiemanagement. So lassen sich zum Beispiel durch eine reduzierte Leistungsaufnahme und ein gut überlegtes Einschwingverhalten die Laufzeit bei Batteriebetrieb verlängern, die Betriebskosten senken sowie Systeme mit kleineren Abmessungen entwickeln, was insgesamt zu Wettbewerbsvorteilen führen kann.

Kompromisse für eine Gesamtlösung

Leistungselektronik zu entwickeln ist kein linearer Prozess, der sich einfach nach einer Checkliste abarbeiten lässt. Vielmehr sind Kompromisse zwischen verschiedenen Parametern zu finden, um eine geeignete Gesamtlösung zu erzielen. Während sich Kompromisse durchaus mithilfe eines Taschenrechners und entsprechenden Gleichungen oder gar einem Evaluierungsboard finden lassen, besteht die größte Herausforderung darin, auf Basis dieser Berechnungen ein fehlerfreies Layout mit den für die Applikation geeigneten Bauteilen zu entwickeln. Zu beachten ist dabei, dass Evaluierungsboards nur auf bestimmte Bedingungen zugeschnitten sind und deshalb nur selten Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit unter realen Betriebsbedingungen ermöglichen.

Bild 1: Bei dem Entwicklungs- und Simulationstool Power Supply WebDesigner können Entwickler zwischen den Optionen "Automatic Design" und "Advanced Design" wählen. In beiden Fällen ist das Resultat eine Blockschaltung der Stromversorgung sowie eine Stückliste (BOM).

Bild 1: Bei dem Entwicklungs- und Simulationstool Power Supply WebDesigner können Entwickler zwischen den Optionen „Automatic Design“ und „Advanced Design“ wählen. In beiden Fällen ist das Resultat eine Blockschaltung der Stromversorgung sowie eine Stückliste (BOM). Fairchild

Hardware-Entwickler greifen deshalb auf unterstützende Entwicklungstools zurück. Um ein Gesamtbild der Situation zu erhalten, nutzen Entwickler oft unterschiedliche Tools. Diese Vorgehensweise mit mehreren Iterationen und verschiedenen Tools ist aufwendig und fehleranfällig. Besonders komplex wird diese Aufgabe, wenn ein System verschiedene Arten von Stromversorgungen benötigt.

Zeitsparende Auswahl von Bauteilen

So stellen zum Beispiel LED-Beleuchtungen für die Industrie, Bewegungssteuerungen, Schaltnetzteile und Antriebe jeweils unterschiedliche Anforderungen, mit denen durchschnittliche Hardware-Entwickler möglicherweise nicht vertraut sind. Hinzu kommt, dass die Auswahl der Bauteile, von MOSFETs über Leistungstreiber bis hin zu Widerständen, Kondensatoren und Spulen, viel Zeit kosten kann. Um die zum Entwickeln von Stromversorgungs-Layouts erforderliche Zeit zu verkürzen, können Ingenieure auf den Power-Supply-Web-Designer von Fairchild zurückgreifen (Bild 1).

Mit dem Power-Supply-Web-Designer dauert die Auswahl von Bauelementen sowie die Analyse und Simulation nur wenige Minuten, da in der Software sowohl die für die Entwicklung von Stromversorgungen erforderlichen Modelle und Berechnungen als auch die sich wiederholenden Entwicklungsschritte integriert sind. Die Möglichkeit zur automatischen Entwicklung beinhaltet bereits alle wichtigen Einstellungen und kann deshalb mit nur einem Klick einen vollständigen Schaltplan generieren. So kann im Handumdrehen ein einsatzfähiges Layout entstehen.

Flyback-Schaltnetzteil als Beispiel

Das Beispiel eines 24-VAC-Flyback-Schaltnetzteils auf Basis des LED-Treibers FL6630 von Fairchild im achtpoligen SOP soll die Möglichkeiten des Power-Supply-Web-Designer s verdeutlichen. Der LED-Treiber bildet die Grundlage für einen einstufigen LED-Treiber-Schaltkreis mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und nutzt Fairchilds Truecurrent-Technologie für eine Konstantstromregelung.

Der Power-Supply-Web-Designer erstellt die Simulation eines solchen Layouts in weniger als drei Minuten und analysiert automatisch das Einschwingverhalten, um zu veranschaulichen, welche Signalverläufe das Layout erzeugt. Ferner beinhaltet das Tool auch eine automatische Leistungsfaktorkorrektur, sodass sich ein möglichst geringes Oberschwingungsverhältnis (THD) im Betrieb mit nichtkontinuierlichem Stromfluss (DCM) erzielen lässt.

Schnell zum Schaltungslayout

Eine solche „Auto-Complete“-Funktion kann jedoch nicht alle Feinheiten beinhalten, die ein erfahrener Leistungselektroniker an seiner individuellen Lösung vornehmen würde. Der Nutzen eines Tools besteht daher nicht nur darin, schnell neue Layouts zu erzeugen, sondern auch darin, diese Layouts nach bestimmten Anforderungen schrittweise weiter anpassen zu können. Genau dies ermöglicht der Power-Supply-Web-Designer mit seiner „Advanced-Step-by-Step-Design“-Option. Das Tool bietet somit sowohl alle Funktionen, um schnell grundlegende Layouts zu erstellen, als auch alle Optionen zum Feinabstimmen des Layouts und jedes einzelnen Elementes, um letztlich eine höhere Effizienz bei der Entwicklung zu erzielen.

Bild 2: Vor der Investition in Hardware können sich Entwickler mit dem Entwicklungs- und Simulationstool Power Supply WebDesigner und entsprechenden Simulationen Vertrauen in ihr Design verschaffen.

Bild 2: Vor der Investition in Hardware können sich Entwickler mit dem Entwicklungs- und Simulationstool Power Supply WebDesigner und entsprechenden Simulationen Vertrauen in ihr Design verschaffen. Fairchild

Durch die Möglichkeit, einzelne Teile eines Systemlayouts genau anzupassen, lässt sich auch das Einschwingverhalten eines Systems verbessern. Dies wiederum erlaubt, kleinere Dämpfungselemente einzusetzen. Neben Entwicklungszeit können Anwender somit auch Kosten und Energie einsparen. Von integrierten Tools wie der Power-Supply-Web-Designer können folglich sowohl Hersteller als auch Anwender profitieren.

Die Applikationsingenieure von EBV sind versiert im Umgang mit Tools wie dem Power-Supply-Web-Designer (Bild 2) und unterstützen Kunden sowohl bei der Entwicklung von Layouts als auch bei der Auswahl der für die jeweilige Applikation passenden Komponenten.

Alle Bauelemente von Fairchild sind bereits im Power-Supply-Web-Designer implementiert. Daher können sich Anwender darauf konzentrieren, die geeignete Topologie zu bestimmen, mit der sich zum Beispiel die Zahl der Spulen in einem Layout möglichst gering halten lässt.

Topologie entscheidend für die Leistungsfähigkeit

Die Wahl der richtigen Topologie kann die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems enorm beeinträchtigen. In den Power-Supply-Web-Designer hat Fairchild deshalb einen einfachen Einstiegspunkt für die Auswahl der gewünschten Topologie vorgesehen, um zum Beispiel zwischen PFC-Abwärtswandler-, PFC-Inverswandler- oder Flyback-Layout für die LED-Ansteuerung zu entscheiden. Von diesem Startpunkt aus können Entwickler auf einfache Weise das entsprechende Tool auswählen.

Dieselben Vorteile gelten auch für PoL-Layouts, bei denen es besonders auf eine hohe Effizienz ankommt. Bausteine wie zum Beispiel die Produktfamilie FAN23x von Fairchild unterstützen die Entwicklungstools deshalb ebenfalls, um die größtmögliche Effizienz über eine möglichst große Bandbreite an Anwendungen sicherzustellen.

Bei PoL-Anwendungen ist die Verlustanalyse von besonderer Bedeutung, um die Betriebsbereiche mit dem höchsten Wirkungsgrad zu bestimmen. Daher generiert das Tool alle Leistungskurven basierend auf den vom Entwickler vorgegebenen Bedingungen und gibt anschließend das geeignete Ausgleichsnetzwerk aus – einschließlich einer vollständigen Stückliste mit den zugehörigen Temperaturspezifikationen.

Durch die Unterstützung solcher Details können Entwickler unterschiedliche Betriebsbereiche untersuchen. Beispielsweise, wie sich das Layout verhält, wenn man den Eingangsstrom eines FPGA von 2 auf 4 A anhebt. Auch untersuchen lassen sich das Einschwingverhalten und die Stabilität und wie sich diese Eigenschaften auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems auswirken.

Besonderheiten des LED-Treibers FL6630

Aufgrund der einstufigen Topologie mit primärseitiger Regelung lässt sich eine LED-Steuerungsplatine mit vereinfachtem Schaltkreislayout und nur wenigen externen Komponenten implementieren. Es sind weder ein Stützkondensator noch Rückführungsschaltkreise erforderlich. Der FL6630 ermöglicht die Anpassung der Betriebsfrequenz je nach Ausgangsspannung, um einen Betrieb mit nichtkontinuierlichem Stromfluss (DCM) zu ermöglichen. So lassen sich sowohl ein höherer Wirkungsgrad als auch ein vereinfachtes Layout erzielen. Der FL6630 bietet zudem Funktionen zum Schutz bei Stromkreisunterbrechungen und Kurzschlüssen im LED-Stromkreis sowie bei Übertemperatur. Der LED-Treiber begrenzt den Ausgangsstrom automatisch, um externe Bauelemente bei Kurzschlüssen im LED-Stromkreis zu schützen.