Energieeffizientes Netzteil-Design

Mit dem Entwicklungs-Board PowerStar lassen sich Netzteile mit einer Energieeffizienz von über 94 Prozent schnell realisieren.Future Electronics

Gesetzliche Vorgaben zur Reduzierung des Stromverbrauchs und ein neues Energie-Bewusstsein beim Verbraucher bescheren Herstellern elektronischer Geräte großen Entwicklungsaufwand. Der technische Distributor hat es sich zur Aufgabe gemacht, Kunden durch eigenentwickelte Design-Umgebungen die Arbeit zu erleichtern. Future Power Solutions wurde Ende 2012 ins Leben gerufen, um den gestiegenen Design-Aufwand beim Sprung von der analogen hin zur digitalen Power-Technologie zu unterstützen. Mit PowerStar als Entwicklungsplattform für Strom-sparende Netzteile liefern die Ingenieure aus den System Design Centern (SDC) darüber hinaus wertvolle Hilfestellung. Durch dieses Board lassen sich Netzteile mit einer Energieeffizienz von über 94 Prozent schnell realisieren.

Bei der Entwicklung dieses Referenzdesign-Boards stand eine Überlegung im Mittelpunkt. In Abgrenzung zu den Evaluationsboards von IC-Herstellern, die meist Stand-alone-Schaltkreise zur Demonstration einzelner Features anbieten, kombiniert PowerStar unterschiedliche Schaltungen auf einem Board. Das Entwicklungssystem vereint die Stufen für Power Factor Correction, Wandlung und Gleichrichtung, um durch den Einsatz moderner Technologien sehr hohe Effizienzlevel zu erzielen. Mit dieser Plattform können Entwickler bei geringem Zeitaufwand Strom-sparende Netzteile für Geräte mit einem Bedarf zwischen 100 W und 1 kW implementieren. Als Proof-of-Concept-Umgebung kann das Board durch die austauschbaren Komponenten unterschiedliche Spannungs- und Stromverhältnisse abdecken, die ein spezifisches Produkt-Design ermöglichen.

Minimierung von Energieverlusten

Das Entwicklungsboard enthält modernste Technologien, die in jedem Stadium des Power-Conditioning-Verfahrens zur Minimierung von Energieverlusten beitragen. Obwohl jede der Topologien für sich bereits hocheffizient operiert, erzielt der Schaltkreis durch die eingesetzten Techniken in der Gesamtheit erst das hohe Effizienzniveau von über 90 Prozent.

Ein Power-Factor-Correlation-Schaltkreis im Boundary Conduction Mode (BCM) sorgt für minimale Verluste beim Einschalten. Da der Durchlassstrom im Einschaltmoment gleich null ist, ruft die Boost-Diode nur äußerst geringfügige Rückströme hervor. In Kombination mit einem niedrigen Abfall der Vorwärtsspannung entsteht eine außergewöhnlich effiziente Topologie. Der eingesetzte Fairchild Semiconductor FAN 9611 PFC als Steuerungs-IC implementiert die benötigten Funktionen zur Blindleistungskompensation. Er reduziert den Ripple-Strom von der Quelle und damit auch den an die Kondensatoren weitergeleiteten Strom. Dadurch wird sowohl die Anforderung an den Eingangsfilter als auch die Wechselstrombelastung an den Hochspannungs-Aluminiumelektrolytkondensatoren gesenkt.

Im Bereich von 12 bis 48 V stellen LLC-Resonanzwandler die effizienteste Technik für die Energiewandlung dar. Das SDC wählte eine Topologie, die Parasitärkapazitäten von den aktiven Komponenten nutzt und auf Ableitströme und die Magnetisierung der Induktivität vom Transformator setzt. Dadurch kann der Haupt-FET ohne Strom und Spannung angeschaltet und nahezu ohne Strom wieder ausgeschalten werden. So lassen sich geringe Schaltverluste realisieren und ein Gesamtsystem mit deutlich besserer Stromeffizienz aufbauen.

Durch die benötigte hohe Streuinduktivität vereinfacht sich gleichzeitig das Transformator-Design. In einem LLC-Wandler kann die Streuinduktivität des Transformators eine Größenordnung höher angesetzt werden als in herkömmlichen Typen, da sie zum integralen Design-Bestandteil wird. Die hohe Streuinduktivität wird durch eine Zweikammer-Wicklung für die Primär- und Sekundärwicklung erzielt. Damit sich Kriechstrecken einfach einhalten lassen, wurden die Wicklungen getrennt voneinander auf der Spule angeordnet. Auf dem Board kommt ein FAN7621 LLC- Resonanzwandlungscontroller von Fairchild zum Einsatz.

Da die Leistungsbilanz von Netzteilen normalerweise durch Stromverluste im Stadium der Gleichrichtung beeinträchtigt wird, setzt PowerStar auf einen zweiten Schaltkreis für eine synchrone Gleichrichtung. Im Vergleich zu herkömmlichen Schottky-Dioden lässt sich so die größere Reduzierung der Verlustleistung erzielen. Das Board beinhaltet dazu den synchronen Gleichrichter-Baustein FAN6208 von Fairchild.

(ah)