Optimierung von Stromversorgungsnetzen

Jeder Systementwickler braucht eine optimierte Stromversorgungsarchitektur, und jedes elektronische Gerät verfügt über ein Stromversorgungsnetz (Power Delivery Network, PDN), das meist aus Kabeln, Stromschienen, Steckverbindern, Kupfer-Stromversorgungslayern auf der Leiterplatte, AC/DC- und DC/DC-Wandlern, Spannungsreglern sowie gegebenenfalls weiteren Komponenten besteht. Alles in diesem Netzwerk bestimmt, wie gut das Design unter Berücksichtigung von Leitungs-, Last- und Umgebungsschwankungen funktioniert.

Vorteil eines proaktiven Ansatzes

Früher wurden Stromversorgungsarchitekturen erst in den späten Phasen der Produktentwicklung festgelegt, wenn Platz und Optionen bereits begrenzt waren. Ein proaktiverer Ansatz, bei dem der Entwickler die Architektur bereits in einem frühen Stadium des Prozesses definiert, ermöglicht robustere Systeme, die sich im Verlauf der Entwicklung an veränderte Entwicklungsspezifikationen anpassen lassen.

Verlustleistung durch thermische Belastung

Entwickler von Stromversorgungen konzentrieren sich oft auf die Wandlerstufen, um den Wirkungsgrad der Wandler zu maximieren und die Leistungsverluste zu minimieren. Dabei steht das Wärmemanagement im Vordergrund, da die Wandlerstufen meist den größten Teil der thermischen Belastung ausmachen. Eine hohe Verlustleistung erfordert komplexere und aufwändigere Kühlmethoden, die vor allem bei Anwendungen in rauen Umgebungen zusätzliche Kosten und mehr Platzbedarf verursachen.

Verbesserter Wirkungsgrad reduziert Verluste

Die Verlustleistung ist die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsleistung. Bei einem Stromrichter entspricht sie dem Quotienten aus dessen Nennleistung durch seinen dezimalen äquivalenten Wirkungsgrad: Ein 100-W-Wandler mit einem Wirkungsgrad von 80 Prozent hat eine Eingangsleistung von 125 W und eine Verlustleistung von 25 W. Um die Systemverluste zu ermitteln, muss jedes Element im System auf diese Weise betrachtet werden. Selbst eine kleine Steigerung des Wirkungsgrads kann die Verluste deutlich reduzieren: Eine Verbesserung des Wirkungsgrads um 10 Prozentpunkte – in diesem Beispiel auf 90 Prozent – erscheint nicht viel, doch sie reduziert die Verlustleistung um mehr als die Hälfte, also 11,1 statt 25 W.

Beiträge zur Verlustleistung

Abgesehen von der geringeren thermischen Belastung eines Wandlers sinkt auch der Leistungsbedarf der Eingangsquelle, die weniger Leistung liefern muss. Eine geringere Leistungsaufnahme führt bei einer gegebenen Eingangsspannung auch zu einem niedrigeren Quellenstrom.

Nach dem Ohm'schen Gesetz ist die Leistung das Produkt aus Spannung und Strom beziehungsweise das Produkt aus Widerstand und dem Quadrat des Stroms (P = UI = I²R). Bei der Analyse von Stromversorgungsnetzen bleibt der Faktor Widerstand häufig unberücksichtigt. Alle Pfade von der Quelle zur Last haben einen festen Widerstand. Sie alle liefern einen Beitrag zur Verlustleistung im Gesamtsystem.

Darüber hinaus tragen auch Sicherheits- und Stabilitätskomponenten zur Gesamtverlustleistung bei und sind daher zu berücksichtigen: Sicherungen, Leistungsschalter sowie Filter zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen und zur Spannungsglättung. Jedes dieser Bauteile erzeugt einen Spannungsabfall, der die Stabilität von Schaltreglern beeinträchtigen und andere Probleme im System verursachen kann.

Eingangsimpedanz versus Quellenimpedanz

Endgeräte, die über das Stromversorgungsnetz versorgt werden und große Lastschwankungen verursachen wie beispielsweise eine CPU, eine gepulste Last oder ein Motor, führen zu erheblichen Spannungsschwankungen am Ein- und Ausgang des Wandlers. Generell gilt die Faustregel, dass die Quellimpedanz am Wandler-Eingang um den Faktor zehn kleiner sein sollte als die niedrigste Impedanz, die der Wandler selbst aufweist.

Zurück zum Beispiel des 100-W-Wandlers mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent: Angenommen, der Eingangsspannungsbereich für dieses Gerät beträgt 18 bis 36 V, dann nimmt der Wandler bei einer Eingangsspannung von 18 V einen Strom von 6,2 A auf. Die Eingangsimpedanz des Wandlers beträgt also U/I oder 18 V/6,2 A = 2,9 Ω. Bei 36 V ist der Eingangsstrom halb so hoch, so dass die Impedanz 11,7 Ω beträgt. Die Faustregel besagt, dass bei der niedrigsten Eingangsimpedanz des Wandlers die Quellenimpedanz zur Sicherung eines stabilen Betriebs nicht mehr als 0,29 Ω betragen sollte.

Resonanzen und andere Probleme

Beim Entwurf eines Stromnetzes ist Systemstabilität ein wichtiger Aspekt. Die vereinfachte Betrachtung des Widerstands vernachlässigt reaktive Elemente wie Kapazitäten und Induktivitäten, deren Impedanz sowohl einen Real- als auch einen Imaginärteil aufweist, die aber auch Resonanzen sowie andere Probleme verursachen können, sofern diese nicht richtig eingeschätzt werden. Diese Themen würden allerdings den Rahmen dieses Beitrags sprengen.

Der Weg Optimierung des PDN

Für die Analyse eines bestehenden Designs oder das Erstellen einer neuen Architektur gilt derselbe Ansatz.

Vor allem sollten die effizientesten verfügbaren Wandler zum Einsatz kommen, auch wenn das wie eine Binsenweisheit klingt. Das PDN sollte in zwei Teilen betrachtet werden: die Ausgänge von der/den eigentlichen Anwendungslast(en) zur ersten Wandlerstufe einschließlich aller dazwischen liegenden Wandlerstufen, und den Eingang von der Quelle zur ersten Wandlerstufe.

Vorteile von Point-of-Load-Wandlern

Die Last benötigt eine vorgegebene Mindestspannung. Bei heutzutage üblichen elektronischen Systemen kann der Strombedarf hoch sein und in einigen Fällen bei Pegeln unter 1 V Werte von 1000 A überschreiten. Zur Minimierung der Verluste in solchen Anwendungen kommen Point-of-Load-Wandler (PoL-Wandler) in der Nähe der Strom verbrauchenden Last zum Einsatz.

Das PoL-Konzept vermeidet die bei herkömmlichen Stromversorgungen üblichen langen Leitungsstrecken zwischen Wandler und Last und ermöglicht eine präzise Spannungsversorgung, die den Anforderungen an niedrige Spannungen und hohe Ströme gerecht wird. Um den Leitungswiderstand zu minimieren sollte sich die PoL-Stufe so nah wie möglich an der Verbraucherlast befinden.

Dabei ist eine möglichst hohe Eingangsspannung am PoL-Wandler von Vorteil. Als Beispiel dient ein 12-V-Niederspannungs-PDN, das fünf unabhängige Lasten versorgt. Hier arbeiten die Lasten mit einer niedrigen Gleichspannung von unter 5 V, sodass der Wandler einen höheren Strom liefern muss.

Auswirkungen einer höheren Quellenspannung

Ein solcher Schaltungs-Aufbau könnte eine alte Computer-Stromversorgung, ein Fahrzeugnetz oder eine Drohnen-Nutzlast sein. Es gibt einen festen Leiterbahnwiderstand zum Eingang der PoL-Wandler, der bei jeder Arbeitsleistung eine bestimmte Verlustleistung aufweist. Wenn bei gleicher Leistung die Spannung um den Faktor vier auf 48 V steigt, fließt in diesem Zweig nur noch ein Viertel des ursprünglichen Stroms. Weil der Strom quadratisch in die Leistungsgleichung eingeht, sinkt die neue Verlustleistung deutlich, und auch die Spannungsabweichung nimmt ab.

Zudem ist 48 V eine gute Verteilerspannung, da sie auch innerhalb der SELV-Grenzwerte (Safety Extra Low Voltage) liegt, die von der IEC als ungefährlich im Falle eines elektrischen Schlags definiert sind. Bei einem bestehenden System erfordert die Erhöhung der Spannung andere PoL-Wandler. Hier ermöglicht ein modularer Ansatz, bei dem eine Komponente mit der gleichen Gehäusegröße verwendet wird, eine einfache Umstellung, da sich die Wandler einfach durch andere ersetzen lassen.

PDN für eine „Fessel-Drohne“ als Praxisbeispiel

Die mit 800 V recht hohe Spannung im Tethering-Kabel minimiert die durch den Betrieb der Drohne entstehenden kritischen Übertragungsverluste und Spannungsschwankungen. Da die Ströme deutlich geringer sind als bei niedrigeren Versorgungsspannungen, bietet die Umstellung auf 800 V den zusätzlichen Vorteil, dass sich der Luftwiderstand und das Gewicht des Kabels durch die Verwendung von Leitern mit kleinerem Querschnitt verringern. Das Halteseil bildet die Schnittstelle zur Stromversorgung am Boden.

Betrachten wir als Beispiel eine Fessel-Drohne, deren Tether-Leitung  30 m lang ist und 24-AWG-Leiter enthält, von denen jeder einen Widerstand von etwa 2,5 Ω pro 30 m aufweist. Bei einer 48-V-Verteilung beträgt der Strom in dieser Fesselleitung etwa 10 A, und der Widerstand beträgt 5 Ω hin und zurück. Damit beläuft sich der Leistungsverlust in der Tether-Leitung auf 500 W. Natürlich kann diese Drohne nicht fliegen, weil die Tether-Leitung die gesamte Energie absorbiert und nichts für das Fluggerät übrigbleibt.

Was geschieht bei einer höheren Eingangsspannung? Angenommen, es kommt ein 400-V-System mit den gleichen Randbedingungen wie oben zum Einsatz. Bei einer 400-V-Versorgung sinkt der Tether-Strom auf etwa 1,25 A, und die Tether-Leitung verbraucht nur etwa 8 W. Bei einer Verdoppelung der Eingangsspannung auf 800 V verringert sich der Tether-Strom auf etwa 0,6 A, und die Verlustleistung der Tether-Leitung sinkt auf etwa 2 W. Dank der geringeren Stromaufnahme sind dünne Tether-Leitungen möglich, was die Zugkraft, den Luftwiderstand und womöglich auch den Leistungsbedarf der Drohne verringert.

Regelung am Ende der Tether-Leitung

Neben der Verlustleistung ist die Regelung am Ende der Tether-Leitung wichtig. Die Regler an Bord der Drohne besitzen einen bestimmten Eingangsspannungsbereich. Es entsteht ein Spannungsabfall über den Widerstand der Tether-Leitung. Bei einem 24-AWG-Kabel mit einer Länge von 30 m und einem Widerstand von 5 Ω für den Hin- und Rückweg ergibt sich ein Spannungsabfall von 5 V/A. Verringert sich der Spannungsabfall entlang des Kabels, wird auch das Verhältnis zwischen dem Spannungsabfall und der angelegten Spannung kleiner, was die Regelung weiter verbessert: Verdoppelt sich die Spannung und halbiert sich der Strom, so halbiert sich der Spannungsabfall über die Leitung und das Verhältnis des Spannungsabfalls über die Fesselleitung zur Lastspannung sinkt auf ein Viertel.

Der beste Weg zur Optimierung der Energieübertragung

Es liegt auf der Hand, dass die Umstellung auf eine 800-V-Quelle für die Bodenversorgung der beste Weg zur Optimierung der Energieübertragung über die Fesselleine ist. Die Drohne muss diese 800 V für den Betrieb von Motoren und Elektronik jedoch in Niederspannung umwandeln. Für diesen Teil des PDN sind 48 V für die Bordelektronik aus den oben beschriebenen Gründen am sinnvollsten.