Design von Stromversorgungen

Unabhängig vom Endprodukt gehört die Entwicklung der Stromversorgung zu einem Schlüsselelement. Vicor wollte die besonderen Herausforderungen und Probleme von Stromversorgungsentwicklern erfahren und gab dazu eine anonyme Umfrage in Auftrag. Um authentische Ergebnisse zu erhalten, erfolgte die Auswahl der angeschriebenen Teilnehmer unabhängig von der bestehenden Kundenbasis. Für 75 % der Antwortenden hatte das Erfüllen der geforderten Anforderungen oberste Priorität. 80 % gaben an, dass sie Probleme haben, die Entwicklung innerhalb des geforderten Zeitrahmens fertigzustellen. 70 % der Teilnehmer beschäftigen sich mit der Stromversorgung an sich weniger als die Hälfte ihrer Zeit. Ingenieure für offene Stellen im Bereich Power zu finden ist für sehr viele ein großes Problem. 65 % der Antwortenden waren der Meinung, dass es nicht einfach sei, sich immer auf dem neusten Stand der Technik und der entsprechenden Anwendung in der Praxis zu halten.

Änderungen ein echtes Problem

An der Spitze der Liste der Themen, die Entwickler von Stromversorgungen beschäftigen, waren jedoch Änderungen während oder am Ende des Entwicklungsprozesses. Fast 87 % gaben an, dass Designänderungen ein großes Problem darstellen. Zusätzlich erschweren nachträgliche Änderungen den vorgegebenen Zeit- und Kostenrahmen einzuhalten.

Änderungen ergeben sich häufig, wenn der tatsächliche Leistungsbedarf zu Beginn des Projekts noch nicht bekannt war. Lasten ändern sich oder Platzeinschränkungen limitieren die zulässige Verlustleistung. Die Entwicklung einer Stromversorgung sollte möglichst schon zu Beginn eines Projektes mit einbezogen werden und nicht erst zum Schluss. Allerdings macht dies den Entwicklungsprozess anfälliger für Änderungen. Markt- oder Wettbewerbsanforderungen können ebenfalls eine Anpassung der Spezifikationen bedingen.

Sollten im späten Entwicklungsprozess des Endprodukts Anpassungen an Änderungen erforderlich sein, verfügt eine exakt auf spezielle Anforderungen hin entwickelte Stromversorgung unter Umständen nicht über genügend Flexibilität. Änderungen erfordern eventuell einen neuen Leistungshalbleiter oder ein anderes Steuer-IC. Selbst wenn die wichtigsten Komponenten unverändert bleiben, arbeitet die Stromversorgung voraussichtlich mit anderen Betriebsparametern für Spannungen, Ströme und Leistungen. Jeder Aspekt der verschiedenen Eigenschaften muss daher nochmals verifiziert werden.

Power Design mit modularen Funktionskomponenten

Eine Lösung bietet Vicor mit der Power Component Design Methodology (PCDM). Sie bietet Ingenieuren eine Vereinfachung der Entwicklung von Anfang an. Zusätzlich lassen sich auch Änderungen in der Spezifikation ohne große Verzögerungen umsetzen.

Diese Methode nutzt kompakte und einfach austauschbare Powerkomponenten, die eine Reihe von Funktionen von Stromversorgungen verschiedener Leistungen zur Verfügung stellen. Durch die garantierten Eigenschaften der Powerkomponenten lassen sich Änderungen simpel und schnell umsetzen, wie beispielsweise den Arbeitspunkt eines vorhandenen Moduls ändern oder ein Modul durch ein anderes ersetzen.

Der Power System Designer (PSD)

Der Power System Designer (PSD) von Vicor ist ein Werkzeug, bei dem Entwickler die Schlüsseldaten einer Stromversorgung eingeben können. Basierend auf Kriterien wie größte Leistungsdichte, höchster Wirkungsgrad, geringste Anzahl an Komponenten und niedrigste Kosten schlägt das Designwerkzeug dann verschiedene Architekturen und Komponenten vor. Die Entwickler entscheiden, welches der Kriterien am wichtigsten ist, und können die gewählte Lösung mithilfe weiterer Online-Werkzeuge simulieren.

Zu Beginn einer neuen Entwicklung geben Designer nur die Eckdaten der Parameter für Eingang und Ausgang in den Power System Designer ein, um damit eine komplette Stromversorgung zu generieren.

Der Einsatz von mit Online-Werkzeugen geprüften Powerkomponenten erhöht die Sicherheit bei der Entwicklung einer Stromversorgung. Auch lassen sich Größe und Eigenschaften besser vorhersagen. Eine automatische Änderung des Designs ist ebenfalls möglich, um neue Anforderungen zu erfüllen. Im Folgenden werden reale Beispiele beschrieben, bei denen Ingenieure die Power Component Design Methodology einsetzten.

Auf der nächsten Seite wird da Anwendungsbeispiel eines Roboters beschrieben

Stromversorgung für den Roboter Vicor

Bei einem Anwendungsbeispiel handelt es sich um einen Roboter, den Strafverfolgungsbehörden und Bombenräumungsdiensten einsetzen, um ferngesteuert verdächtige Objekte zu inspizieren und zu entschärfen. Das Gerät muss einfach zum Einsatzort transportiert werden können und den Weg auch in eventuell beengte Räume finden. Das bedeutet, der Roboter sollte so klein und leicht wie möglich sein. Eine weitere Forderung war, dass das Gerät vom weltweiten Wechselspannungsnetz und von Batterien versorgt werden kann. Dies bedeutet von 115 oder 230 V_AC beziehungsweise von 12 oder 24 V_DC. Das Entwicklerteam war spezialisiert auf die Anforderungen für das Robotersystem, hatte aber nicht die entsprechende Erfahrung bei der Entwicklung von Stromversorgungen. Die Lösung dieser Anwendung wird in Bild 2 gezeigt.

Bei Nutzung des AC-Eingangs bildet die Kombination von AIM/PFM einen isolierten AC/DC-Wandler mit Power Factor Correction (PFC) und liefert einen 24-V-Ausgang. Alternativ kann die 24-V-Spannung über ein Filter auch von Batterien kommen. Das Filtern von Störspannungen ist ein wichtiges Kriterium, da der Roboter in einer Umgebung mit hohen Störspannungen arbeiten kann. Jede Störung, welche die Funktion beeinträchtigen könnte, muss daher vom Mikrocontroller und der Steuerung ferngehalten werden. Bei der Versorgung aus dem Wechselspannungsnetz übernehmen die AIM/PFM-Module diese Filterfunktion. Das nachgeschaltete DCM-Modul wandelt die 24-V- in eine 12-V-Spannung um, welche die Motoren versorgt. Zwei VZS-Regler (Zero Voltage Switching) erzeugen mit hohem Wirkungsgrad die 3,3- und 5-V-Spannungen für die Steuerschaltungen des Roboters.

Diese Schaltung liefert eine robuste und flexible Architektur für die Stromversorgung und reduziert deren Größe und Gewicht drastisch. Der Platzbedarf beträgt 66,8 cm² und der Einsatz von modularen und vom PSD-Werkzeug ausgewählten Komponenten reduziert deutlich die Aufwendungen bei der Entwicklung. Für die Entwickler bedeutete das Simulationswerkzeug eine Sicherheit, dass das gesamte System innerhalb der gegebenen Parameter funktioniert bei einem Gesamtwirkungsgrad von 80 %.

Auf der nächsten Seite wird das Beispiel eines wissenschaftlichen Messgerätes beschrieben

Lösung für das wissenschaftliche Messgerät Vicor

Bei der Entwicklung eines wissenschaftlichen Messgeräts half die Power Component Design Methodology dabei eine optimierte Stromversorgung zu designen und ermöglichte es, schnell auf geänderte Anforderungen zu reagieren. Das Messgerät war ausgelegt für zwei Sensoren, mit denen DNA-Analysen ausgeführt werden können. Geplant war eine lüftergekühlte diskrete Stromversorgung, die Spannungen von 12, 2,5 und 3,3 V für die Sensoren sowie Spannungen von 2,5 und 3,3 V für die Steuerschaltungen liefert. Der gesamte Leistungsbedarf betrug etwa 200 W.

Ursprünglich war eine Lösung mit diskreten Bauteilen vorgesehen. Eine Umgestaltung auf Basis von Powerkomponenten führte zu einer Größenreduzierung von 161 auf 64 cm², was eine Einsparung von 60 % bedeutet. Erreicht wurde dies durch den Einsatz von AIM-, PFM- und ZVS-Buck-Regler-Powermodulen, welche die verschiedenen Attribute der Stromversorgung wie Höhe der Spannungsumwandlung, Isolation sowie Regelung liefern. In diesem Beispiel erfolgt die Gleichrichtung der Netzspannung mit dem AIM, der PFM-Block liefert eine isolierte und geregelte 24-V-Spannung, die von den ZVS-Reglern auf die von den Lasten benötigten Spannungen herabgesetzt wird.

Mehr Leistung erforderlich

Während der Entwicklung stellte sich jedoch heraus, dass ein höherer Durchsatz an Proben nötig war, um das Gerät wettbewerbsfähig zu gestalten. Daher wurde die Anzahl der Sensoren von zwei auf vier erhöht. Dies hatte zur Folge, dass sich der Strombedarf bei allen drei Sensorspannungen verdoppelte und die Gesamtleistung von 200 auf 350 W anstieg. Trotzdem musste die Größe der Stromversorgung in etwa gleich bleiben.

Mit Power Component Design Methodology ließen sich diese späten Änderungen problemlos durchführen. Die neuen Anforderungen wurden in den PSD eingegeben und wie in Bild 3 gezeigt wählte das Werkzeug jeweils zwei zusätzliche ZVS-Buckregler für jeden Spannungspfad. Die drei Ausgänge auf der rechten Seite des Schaltbildes sind die Spannungen für die Sensoren. Jeder Regler für diese Spannungen besteht nun aus einer Kombination von Reglern. Die Abmessung der Stromversorgung erhöhte sich um lediglich 6 % auf 67 cm². Eine entsprechende diskrete Lösung würde 346 cm² in Anspruch nehmen und könnte damit im System nicht untergebracht werden.

(ah)