Optimierung von Stromversorgungsnetzen

Von Jeff Ham, Principal Applications Engineer

Da Verluste in der Industrie minimiert und beseitigt werden sollen, ist eine optimierte Stromversorgungsarchitektur eine vorrangige Aufgabe des Systementwicklers. Jedes elektronische Gerät verfügt über ein Stromversorgungsnetz (Power Delivery Network - PDN), das meist aus Kabeln, Stromschienen, Steckverbindern, Kupfer-Stromversorgungslayern auf der Leiterplatte, Wechsel- und Gleichstromwandlern und Reglern sowie ggf. weiteren Komponenten besteht. Alles in diesem Netzwerk bestimmt, wie gut das Design unter Berücksichtigung von Leitungs-, Last- und Umgebungsschwankungen funktioniert.

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

Entwickler von Stromversorgungen konzentrieren sich oft auf die Wandlerstufen, um den Wandler-Wirkungsgrad 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.

Die Verlustleistung ist die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsleistung. Bei einemStromrichter lässt sich diese ermitteln, indem man dessen Nennleistung durch seinen dezimalen äquivalenten Wirkungsgrad dividiert: Ein 100W-Wandler mit einem Wirkungsgrad von 80% hat eine Eingangsleistung von 125W und eine Verlustleistung von 25W. 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% - erscheint nicht viel, doch reduziert sie die Verlustleistung um mehr als die Hälfte: 11,1 statt 25W.

Wie wirkt sich ein besserer Wirkungsgrad auf das Stromübertragungsnetz aus?

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 kann man die Leistung als das Produkt aus Spannung und Strom bzw. als das Produkt aus Widerstand und dem Quadrat des Stroms betrachten (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.

Endgeräte (die über das Stromversorgungsnetz versorgt werden), die große Lastschwankungen verursachen, wie z. B. 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 zu unserem Beispiel des 90% effizienten 100W-Wandlers: Angenommen, der Eingangsspannungsbereich für dieses Gerät beträgt 18 – 36V, dann nimmt der Wandler bei einer Eingangsspannung von 18V einen Strom von 6,2A auf.  Die Eingangsimpedanz (R) des Wandlers beträgt also U/I oder 18/6,2 = 2,9Ω. Bei 36V ist der Eingangsstrom halb so hoch, so dass die Impedanz 11,7Ω beträgt. Die Faustregel besagt, dass bei der niedrigsten Eingangsimpedanz des Wandlers die Quellenimpedanz zur Sicherung eines stabilen Betriebs nicht mehr als 0,29Ω betragen sollte.

Beim Entwurf eines Stromnetzes ist Systemstabilität ein wichtiger Aspekt. Die vereinfachte Betrachtung des Widerstands vernachlässigt reaktive Elemente, z. B. Kapazität und Induktivität, die sowohl als reale wie auch als Scheinwiderstände auftreten und Resonanzen sowie andere Probleme verursachen können, sofern diese nicht richtig eingeschätzt werden. Diese Themen würden den Rahmen dieses Beitrags sprengen.

Wie lässt sich das PDN in Bezug auf die Verlustleistung des Systems optimieren?

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

Erstens: Auch wenn es offensichtlich klingen mag, sollten die effizientesten verfügbaren Wandler zum Einsatz kommen. Man sollte das PDN in zwei Teilen betrachten: 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.

Die Last benötigt eine vorgegebene Mindestspannung. Der Strombedarf moderner elektronischer Systeme kann hoch sein und in einigen Fällen bei Pegeln unter 1V Werte von 1.000A überschreiten. Zur Minimierung der Verluste in solchen Anwendungen kommen Point-of-Load (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 bietet eine präzise Spannungsversorgung, die den Anforderungen an niedrige Spannungen und hohe Ströme gerecht wird. Um den Leitungswiderstands zu minimieren, sollte sich die PoL-Stufe so nah wie möglich an der Verbraucherlast befinden.

In Richtung Eingang sollte die PoL-Eingangsspannung so hoch wie möglich sein. Nehmen wir ein 12V-Niederspannungs-PDN, das fünf unabhängige Lasten versorgt. In diesem Beispiel arbeiten die Lasten mit niedriger Spannung (< 5V_DC) und ziehen einen höheren Strom zwischen ihnen und den Wandlern.

Ein solcher Aufbau könnte eine alte Computerversorgung, ein Fahrzeugnetz oder eine Drohnen-Nutzlast sein. Es gibt einen festen Leiterbahnwiderstand zum Eingang der PoLs, der bei jeder Arbeitsleistung eine bestimmte Verlustleistung aufweist. Wenn man bei gleicher Leistung die Spannung um den Faktor vier erhöht (d. h. auf 48V), fließt in diesem Zweig nur noch ein Viertel des ursprünglichen Stroms. Dank des quadratischen Stromwertes in der Leistungsgleichung sinkt die neue Verlustleistung deutlich, und auch die Spannungsabweichung nimmt ab.

Zudem ist 48V eine gute Verteilerspannung, da sie auch innerhalb der SELV-Grenzwerte (Safety Extra Low Voltage) liegt, die von der IEC als ungefährlich für elektrische Schläge definiert sind. Bei einem bestehenden System erfordert die Erhöhung der Spannung andere PoLs. 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.

Beispiel: UAV-Stromversorgungsnetz an einer Fesselleitung

Nehmen wir an, die UAV-Fesselleitung ist 30m lang und enthält 24-AWG-Leiter, von denen jeder einen Widerstand von etwa 2,5Ω pro 30m aufweist. Bei einer 48V-Verteilung beträgt der Strom in dieser Fesselleitung etwa 10A; der Widerstand beträgt 5Ω hin und zurück über die 30m - damit beträgt der Leistungsverlust in der Fesselleitung 500W! Natürlich kann diese Drohne nicht fliegen, weil die Fesselleitung die gesamte Energie absorbiert und nichts für das Fluggerät übrigbleibt.

Was geschieht, wenn man eine höhere Eingangsspannung verwendet? Angenommen, man nutzt ein 400-V-System mit den gleichen Bedingungen wie oben.

Bei einer 400V-Versorgung sinkt der Fesselstrom auf etwa 1,25A, und die Fesselleitung verbraucht nur etwa 8W. Bei einer Verdoppelung der Eingangsspannung auf 800V verringert sich der Fesselstrom auf etwa 0,6A, und die Verlustleistung der Fesselleitung sinkt auf etwa 2W. Dank der geringeren Stromaufnahme könnte man dünnere Fesselleitungen verwenden, was die Zugkraft, den Luftwiderstand und womöglich auch den Leistungsbedarf der Drohne verringern würde.

Verlustleistung ist eine Sache, aber auch die Regelung am Ende der Fesselleitung ist wichtig. Die Regler an Bord der Drohne besitzen einen bestimmten Eingangsspannungsbereich. Es entsteht ein Spannungsabfall über den Widerstand der Fesselleine. Bei einem 24-AWG-Kabel mit einer Länge von 30m und einem Widerstand von 5Ω für den Hin- und Rückweg ergibt sich ein Spannungsabfall von 5V pro Ampere. Verringert sich der Spannungsabfall entland des Kabels verringert sich auch das Verhältnis zwischen dem Spannungsabfall und der angelegten Spannung, 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.

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

Der Weg zur Optimierung eines PDN lässt sich in sechs Schritten so zusammenfassen:

1. Denken Sie zuerst an die Stromversorgung. Sobald man die anfänglichen Leistungsanforderungen kennt, sollte man Platz für ein modulares Stromversorgungdesign schaffen. Ein modularer Ansatz ist flexibel und lässt sich leicht skalieren.
2. Berücksichtigen Sie alle Elemente im Strompfad.
3. Verwenden Sie die höchstmöglichen Spannungen, um den Strombedarf zu senken.
4. Nutzen Sie Wandlerkomponenten mit höchstmöglichem Wirkungsgrad, um Wandlungsverluste zu reduzieren.
5. Verwenden Sie die Komponenten mit höchster Leistungsdichte, um eine Platzierung nahe an den Lasten zu ermöglichen.
6. Minimieren Sie den Leitungswiderstand so weit wie möglich, um nicht nur den Spannungsabfall, sondern auch die Verlustleistung zu senken.

 Er hat einen BSEE-Abschluss von der Northeastern University. Seine E-Mail-Adresse lautet jham@vicr.com.

Jeff Ham, Principal Applications Engineer