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Factorized Power Architecture Alternativen zur zentralen Stromversorgung

30.08.2018

Das klassische zentrale Netzteil wird in komplexeren Stromversorgungen durch dezentrale Strukturen abgelöst. Sie sind flexibler und besitzen einen höheren Wirkungsgrad. Bei ihrer Umsetzung sind allerdings einige Punkte zu beachten.

Dezentrale Stromversorgung ist insbesondere bei regenerativen Energien gefragt – Solarenergie vom eigenen Dach erspart unnötige Leitungs-, Verteilungs- und Verwaltungsverluste. Kurze Wege sparen Energie und sind deshalb ökologisch. Doch auch kurz vor dem Ziel, in den Netzteilen von Elektronikgeräten, ist es sinnvoll, nicht die gesamte Stromversorgung einem Zentralnetzteil zu überlassen.

Die ersten Mikrocomputer liefen mit TTL-Logik mit 5-Volt-Versorgung. Um diese aus dem Lichtnetz zu erzeugen, diente ein 50-Hz-Netztransformator, gefolgt von Gleichrichter, Ladekondensatoren und einem großen Linearregler auf einem noch größeren Kühlkörper. Dazu kam noch eine kleinere ±12-Volt-Versorgung für Komponenten wie Diskettenlaufwerke. Für Geräte wie einem Commodore 64 war das ausreichend.

Der Netztransformator verschwand als erstes. Die 5-Volt-Gleichspannungsversorgung aus einem Linearregler war sehr ineffektiv. Ein Wirkungsgrad von 50 Prozent war bereits gut. Sie arbeitete außerdem sehr unzuverlässig. Beim kleinsten Spannungseinbruch im Netz schlug dieser auch auf den 5-Volt-Ausgang durch und der Rechner stürzte ab.

Klassisch: Kleinspannungen zentral erzeugt

Aus diesem Grunde setzten sich in der Computertechnik schnell primär getaktete Schaltnetzteile durch. Sie haben Ladekondensatoren auf der Netzseite, die damit den Ausfall einer Halbwelle überbrücken können und liefern auch bei Netz-Unterspannung noch eine stabile Ausgangsspannung. Ein Linearregler würde sofort aussetzen. Außerdem schrumpften die Netzteile und ihr Wirkungsgrad stieg. Die einfachen Sperrwandlern schrumpften allerdings nicht entsprechend mit, weshalb Lüfter erforderlich wurden, um die Verlustwärme abzuführen.

Über die Jahre wurden die Netzteile besser, doch die PCs auch immer leistungshungriger. Der Lüfter blieb deshalb, den traditionellen drei Spannungen 5, 12 und -12 V folgten weitere und das Netzteil erhielt immer mehr Stecker und Strippen. Als niedrigere Spannungen kamen 3,3, 2,5 und 1,8 V hinzu. Mittlerweile laufen manche Prozessoren mit weniger als einem V. Diese Spannungen ließen sich aber nicht mehr vernünftig über lange Strippen zuführen. Sie wurden stattdessen vor Ort über Point-of-Load-Regler (POL) erzeugt: die Distributed Power
Architecture (DPA) hielt Einzug. Bei ihr wird eine geregelte Zwischenkreisspannung weiter gewandelt und schließlich auf die gewünschten Arbeitsspannung geregelt.

DPA: Dezentrale Stromversorgung

In der Profi-Technik tauchte DPA schon Ende der 80er-Jahre auf. Neben den „dreibeinigen“ POL-Reglern, die es inzwischen auch als Schaltregler gibt, verbreiteten sich auch die sehr leistungsfähigen Bricks. Sie besitzen einen Wirkungsgrad von 90 Prozent und bis zu 600 Watt Leistung. Eingangsspannungen von 24 bis 375 VDC können von ihnen zu Arbeitsspannungen von unter einem bis hin zu 60 VDC gewandelt werden.

Bricks, mitunter auch Bus Converter genannt, besitzen eine Metallgrundplatte, mit der sie an Kühlkörper geschraubt werden, und eine sehr robuste Bauweise. Sie sind deshalb auch im Bahn-, Avionik- und Militärbereich sehr beliebt. Der zulässige Eingangsspannungsbereich liegt bei 2:1 bis 4:1. Die Eingangsspannung muss also nicht stabilisiert sein. Sie produzieren aus einer Bus-Eingangsspannung eine geregelte Ausgangsspannung. Deshalb können auch weit verzweigte Anlagen verlustarm versorgt werden. Aber auch ein klassisches zentrales Netzteil ist mit solchen Bricks flexibel in Kleinstserien aufbaubar, etwa das von Hy-Line angebotene Vipac von Vicor. Die galvanische Trennung dieser Bausteine verringert die Gefahr durch Überspannungen und Brummschleifen in ausgedehnten Anlagen. In lokalen, kostensensitiven Applikationen werden hingegen galvanisch nicht trennende POL-Regler verwendet. Neben den höherspannigen Busverteilern mit 300 oder 375 VDC, erzeugt aus direkt gleichgerichteter und von einer PFC-Einheit bearbeiteter 230-Volt-Netzspannung, setzen sich 48-VDC-Busversorgungen immer mehr durch. Sie können bei Stromausfall auch unkompliziert aus Akkumulatoren gespeist werden, sind berührungssicher (SELV) und arbeiten dennoch mit akzeptablen Stromstärken für die Leistungsverteilung.

Ein Nachteil von DPA ist die üblicherweise doppelte Regelung. Die Busspannung wird auch direkt verwendet, muss deshalb also stabilisiert werden, und wird nochmals umgesetzt und neu geregelt. Das erhöht die Kosten und reduziert außerdem den Wirkungsgrad. Zudem ist die direkte Umsetzung, beispielsweise von auf dem Bus verlustarmen 48 auf 3,3 V oder weniger, an einer CPU in einem POL-Schaltregler problematisch. Das Tastverhältnis liegt nur bei wenigen Prozent. Nutzt man dagegen für jede benötigte Spannung einen separaten Brick mit eigener Regelung, wird die Stromversorgung teuer und der Leiterplattenplatz knapp.

IBA: Zwischenspannung für bessere Regelbarkeit

Eine Intermediate Bus Architecture (IBA) löst dieses Problem. Ein Intermediate Bus Converter (IBC) setzt die Busspannung nur in einem festen Verhältnis herunter, wie eine Art Gleichspannungstransformator. Üblich sind hier Verhältnisse von 4:1 oder 5:1. Aus einem 48-V-Bus wird dadurch vor Ort ein 12-V-Bus. Mit ihm können dann preiswerte und nichtisolierende POL-Regler akzeptabler betrieben werden. Der IBC wiederum läuft ungeregelt mit optimalem Tastverhältnis und erreicht dadurch einen Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent. Trotz doppelter Umsetzung ist der Gesamtwirkungsgrad der Anlage somit höher und die Kosten – es werden nur ein IBC und dafür viele einfache POL-Regler benötigt – sind gering. Da der IBC bereits die galvanische Trennung vollzogen hat, kann im POL-Regler darauf verzichtet werden. Bei modernen CPU-Versorgungsspannungen von nur noch bis zu 0,8 Volt ist jedoch auch ein IBC-Zwischenkreis mit 12 oder 9,6 Vplt eine suboptimale Lösung. Der POL-Regler arbeitet dann wieder nur mit Tastverhältnissen unter 10 Prozent.

Factorized Power Architecture (FPA) ist eine Stromversorgungsstruktur, die dieses Problem beseitigt. Bei ihr werden Regelung und Spannungswandlung getrennt, doch in genau der umgekehrten Reihenfolge, als das bislang üblich war. Es wird nicht erst heruntergewandelt und dann geregelt, sondern erst eine stabile Busspannung von beispielsweise 48 V erzeugt und dann am POL auf die gewünschte Arbeitsspannung galvanisch getrennt heruntergewandelt. Das ist unorthodox, hat jedoch deutliche Vorteile gegenüber dem klassischen Vorgehen:

  • Alle Endspannungen sind voneinander galvanisch getrennt.

  • Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems ist höher.

  • Es wird im Stromverlauf einer Ausgangsspannung nur einmal geregelt, und das zudem nicht am POL, was dort Leiterplattenplatz spart.

  • Die Pufferkondensatoren können deutlich kleiner ausfallen.

Kleiner Pufferkondensatoren sind aufgrund der internen Architektur klassischer getakteter POL-Regler möglich. Diese nutzen eine große Induktivität zum Herunterwandeln der Eingangsspannung. Das verlangsamt ihre Reaktion auf sich ändernden Strombedarf. Ein großer Pufferkondensator muss das abfangen, der POL-Regler kann es nicht.

FPA ist schneller

Bei FPA ist jedoch die Regelung und damit auch die Pufferung der langsam reagierenden Induktivität auf der Seite mit der noch hohen Spannung. Statt eines Elektrolytkondensators reicht hier ein kleinerer und zuverlässigerer Keramikkondensator. Der Spannungswandler am POL hat dagegen keine große Serieninduktivität und reagiert damit schnell auf Lastwechsel. Deshalb ist kein großer Pufferkondensator mehr erforderlich.

Die beiden Komponenten eines FPA-Systems heißen bei Vicor Pre Regulation Module (PRM) und Voltage Transformer Module (VTM). Das PRM sitzt am Eingang der Stromversorgung und macht aus einer ungeregelten eine stabile Busspannung. Die VTMs sitzen am POL. Auf den ersten Blick handelt es sich dabei um einen Nachteil. Da die Regelung nicht mehr am POL sitzt, ist die Ausgangsspannung zunächst weniger stabil. Sie schwankt im ungünstigsten Fall um etwa vier bis fünf Prozent am POL. Das liegt jedoch bereits innerhalb der Spezifikationen zur Versorgung von Digitalschaltungen. Das tritt allerdings nur ein, wenn das PRM ausschließlich sich selbst kontrolliert. Wird vom VTM eine Rückkopplung zum PRM geleitet, reduzieren sich die Schwankungen auf etwa ein Prozent. Das reicht für fast alle normalen Applikationen. Wird zusätzlich eine Regelspannung am POL abgegriffen und zum PRM zurückgeführt, werden auch die Spannungsverluste auf den kurzen Leitungen zwischen VTM und POL noch abgefangen. Mit 0,2 Prozent verbleibenden Schwankungen ist die Stabilität nun konventionellen POL-Regelungen absolut gleichwertig. Die PRM-Bausteine arbeiten bei 1,3 MHz und schalten ohne Spannung, die VTM-Bausteine bei vergleichbaren Frequenzen ohne Spannung und Strom als Sinus-Resonanzwandler mit einem Strommultiplikationsfaktor von bis zu 200.

Die FPA lohnt sich natürlich nicht in allen Fällen. Werden zum Beispiel nur einmal 60 VDC und einmal 24 VDC benötigt, kann ein klassisches Netzteil mit zwei festen Ausgängen das besser und kostengünstiger abdecken. Ebenso sind bei kleineren Leistungen auch einfachere Lösungen bis hinab zu einem klassischen Linearregler akzeptabel und sinnvoll. Die FPA ist für Einheiten ideal, die viele unterschiedliche, niedrige Spannungen an unterschiedlichen Punkten in einem komplexen System bei höherer Leistung benötigen. Sie kann zudem bereits existente Systeme flexibel ergänzen, wenn weitere Spannungen benötigt werden.

Die klassischen Bus-Converter und POL-Regler haben sich allerdings über die Jahre immer weiter entwickelt. Je nach Verteilung der auf den einzelnen Leiterplatten benötigten Leistungen und Regelqualitäten ist deshalb mal die eine, mal die andere Technik sinnvoller. In der Praxis werden alle gemischt zusammenarbeiten. Fest steht allerdings, dass eine verteilte Stromversorgungsstruktur viel flexibler ist als das klassische Zentralnetzteil. Sie besitzt folgende Vorteile:

  • Die Versorgungsqualität am Point of Load ist mit nahe an der Last liegenden Reglern höher. Dadurch werden Wechselwirkungen zwischen den Baugruppen reduziert.

  • Der Gesamtwirkungsgrad steigt, wenn niedrige Spannungen mit hohen Strömen nahe an der Last erzeugt werden.

  • Die durch die Verluste bei der Wandlung entstehende Wärme wird verteilt frei und kann leichter abgeführt werden.

  • Die Entwicklung der Stromversorgung ist flexibler. Wird etwa im Laufe der Entwicklung von einer Baugruppe noch eine zusätzliche Betriebsspannung oder mehr oder weniger Leistung benötigt, muss das Netzteil nicht komplett neu entwickelt, berechnet, konstruiert und zugelassen werden. Es reicht, den entsprechenden Niederspannungs-Verbraucherzweig nachzubessern und die davor liegenden Zweige auf ausreichende Belastbarkeit der Zwischenkreis-Busspannungen zu prüfen.

Die qualifizierte Beratung durch einen Fachdistributor verkürzt die Zeit und erleichtert die Auswahl, um die für die Stromversorgungsaufgabe optimale Struktur zu bestimmen. Geeignete Softwaretools ermöglichen dann eine schnelle Auswahl der passenden Wandlerbausteine und eine kurzfristige Korrektur ohne komplette Neukonstruktion, falls sich die Anforderungen noch einmal ändern. Das ist leider gar nicht so selten, weil der Kunde von einem Gerät plötzlich noch zusätzliche Funktionen erwartet oder eine Baugruppe nicht wie gewünscht funktioniert. In der Praxis wird sich in einem modernen Stromversorgungssystem eine Mischung aller beschriebenen Strukturen finden. Je zahlreicher und niedriger die benötigten Spannungen und je höher die benötigten Leistungen sind, desto mehr wird sich die Struktur von klassischen Zentralnetzteilen zu DPA, IBC, POL und FPA verschieben. Hy-Line Power Components hat Bausteine und komplette Systeme für all diese Strukturen im Angebot.

Bildergalerie

  • Bei der konventionellen Anordnung wird die Spannung erst transformiert und dann geregelt. Eine große Induktivität in Reihe mit der Last verlangsamt die Regelung und macht große Pufferkondensatoren erforderlich. Das Tastverhältnis wird bei kleinen Ausgangsspannungen sehr schlecht.

  • Bei FPA wird zuerst geregelt und dann transformiert. Dadurch arbeitet die Regelung mit einem guten Tastverhältnis und die große Induktivität liegt nicht mehr am Ausgang.

  • Stabilität der Ausgangsspannungen von Vicor-FPA-Systemen je nach Anschluss der Rückkopplungsschleife

  • Online-Kalkulations-Tools, mit denen aus einzugebenden Anforderungen geeignete Wandlerbausteine und deren Beschaltung bestimmt werden können. Dabei wird Erwärmung, Wirkungsgrad und Belastbarkeit überprüft.

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