Die komplexen Anforderungen an eine effiziente, rauscharme und präzise geregelte Stromversorgung aus Netz- oder Batteriespannungen machen dies zu einer wichtigen Hardware-Entscheidung. Bei der Anordnung der Komponenten zur Leistungsumwandlung auf der Leiterplatte (PCB) müssen Faktoren wie Wärmeableitung, elektrische Sicherheit und elektromagnetische Interferenz (EMI) berücksichtigt werden. In diesem Beitrag befassen wir uns mit einigen Aspekten, die Entwickler bei der Auswahl von Bauelementen für die Leistungsumwandlung und -bereitstellung auf der Leiterplatte für eine Reihe von Embedded-Systemen in einem industriellen Bereich berücksichtigen sollten.
Stromversorgung für Embedded Systeme
Embedded-Systeme sind überall zu finden. Sie steuern unsere Haushaltsgeräte, verfolgen unsere Haustiere, steuern industrielle Prozesse und nehmen Bodenproben auf fernen Planeten. Im Rahmen von Initiativen zur Verbesserung der industriellen Leistung, wie zum Beispiel Industrie 4.0, wurde das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) geschaffen. Dadurch stieg der Bedarf an Sensoren und Aktuatoren mit geringem Stromverbrauch, die an geografisch verteilten Standorten zum Einsatz kommen. Mit der Fernüberwachung von Pflanzen und anderen landwirtschaftlichen Applikationen kam das IoT in die Praxis und stellte Entwickler vor die Herausforderung, eine geeignete drahtlose Konnektivität und langlebige Methoden der Energieversorgung zu entwickeln.
Bei der Entwicklung eines neuen Embedded-Produkts ist eine der wichtigsten Überlegungen die Frage, wie das Produkt mit Strom versorgt werden soll, da dies das gesamte Energiebudget bestimmt. Die verfügbare Energiemenge hat auch Einfluss auf einige Merkmale und Funktionen des Produkts. So verbrauchen beispielsweise große LCD-Bildschirme während der Nutzung viel Energie, sodass die Nutzung einer batteriebetriebenen Applikation eingeschränkt ist. Auch drahtlose Protokolle mit hoher Bandbreite, wie beispielsweise WLAN, verbrauchen mehr Strom als Protokolle, die für Applikationen mit geringem Stromverbrauch entwickelt wurden, wie beispielsweise Bluetooth Low Energy.
Netzbetriebene Applikationen sind zwar die optimale Lösung für die Stromversorgung, bringen jedoch Einschränkungen bei der Entwicklung mit sich, beispielsweise in Bezug auf Isolierung, Leistungsumwandlung, Wärmeabgabe und den verfügbaren Platz im Gehäuse.
Auswahl der Stromversorgung
Die Stromversorgung von Embedded-Systemen umfasst mehrere Aspekte, die jeweils eine Reihe spezifischer technischer Merkmale mit sich bringen. Die Stromquelle(n), die Stromumwandlungsmethode(n), das Strommanagement und das Stromversorgungsnetz sind die entscheidenden diskreten Funktionen einer Stromversorgungsarchitektur. Auch wenn die Anforderungen an die Stromversorgung bei jedem Design sehr unterschiedlich sind, sollten Entwickler die folgenden Punkte beachten:
Stromquellen: Es gibt mehrere gängige Möglichkeiten, ein Embedded-System mit Strom zu versorgen, beispielsweise Netzstrom, nicht aufladbare oder wiederaufladbare Batterien und Energy Harvesting (eine oder mehrere Quellen). Ist für eine netzbetriebene Applikation eine Sekundärversorgung für den Fall eines Stromausfalls vorgesehen? Wenn ja, wie lange sollte die Notstromversorgung verfügbar sein? Ebenso sollte bei einer batteriebetriebenen Applikation die gewünschte Betriebsdauer zwischen Batterieladungen oder -wechseln spezifiziert werden.
Energy Harvesting-Techniken sind eine beliebte Methode zur Verlängerung der Batterielebensdauer durch Erhaltungsladungen. Bei einigen Applikationen mit extrem niedrigem Stromverbrauch kann eine Batterie durch einen Superkondensator und einen Energy Harvester Power Management IC (EH PMIC) ersetzt werden. Solar-, Vibrations- und Wärmeenergie sind bewährte Methoden zur Energiegewinnung für IIoT-Sensoren.
Leistungsumwandlung: Welche Spannung(en) werden für die Stromversorgung des Embedded-Systems benötigt? Genügt eine einzige 3,3-VDC-Versorgung, oder benötigt der Entwickler zusätzliche Stromschienen wie 1,8 VDC oder 5 VDC für bestimmte Bauelemente oder Peripheriegeräte? Welche Spezifikationen gelten für den Stromverbrauch der einzelnen Versorgungsschienen und sind Daten zum Verbrauchsprofil verfügbar? Netzgespeiste Systeme benötigen mindestens eine Spannungsumwandlungsstufe, beispielsweise von 240 VAC auf 3,3 VDC. Ein DC/DC-Wandler kann zusätzliche DC-Schienen bereitstellen, beispielsweise von 3,3 VDC auf 1,8 VDC oder auf 5 VDC.
Stromversorgungsnetz: Für eine komplexere Embedded-Applikation ist möglicherweise ein Stromversorgungsnetz (Power Delivery Network, PDN) erforderlich, wie zum Beispiel die oben erwähnten mehreren Stromschienen. Die Stromverteilung auf einer Leiterplatte kann besondere Anforderungen stellen, da einige ICs empfindlich auf EMI und hohe dV/dt-Transienten reagieren. Die Entwickler sollten auch abwägen, ob sie DC/DC-Wandler in der Nähe des Lastpunkts anordnen möchten. Bei sehr anspruchsvollen integrierten Schaltkreisen (ICs) können außerdem sequenzierte Stromschienen erforderlich sein.
Beschränkungen der Stromversorgungsarchitektur: Einige Embedded-Produkte, wie beispielsweise medizinische Sicherheitsgeräte, stellen möglicherweise besondere Anforderungen an die Einhaltung von Vorschriften. Die Isolierung ist hierbei ein entscheidender Aspekt bei der Auswahl eines AC/DC- oder DC/DC-Wandlers. Für medizinische und gesundheitliche Applikationen wird dieser Aspekt durch die international anerkannte Sicherheitsnorm IEC 60601 abgedeckt. Auch die Energieeffizienz ist ein geregeltes Merkmal, zum Beispiel die Anforderung der Stufe VI, wonach die Leistungsaufnahme einer netzgespeisten Versorgung bei Nulllast unter 0,3 Watt liegen muss. Leistungswandler und Stromversorgungen müssen auch die Normen für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und EMI erfüllen.
Leistungsmanagement und technische Spezifikationen: Ist das Produkt mit einer wiederaufladbaren Batterie ausgestattet, überwacht ein Power-Management-IC (PMIC) den Ladezustand der Batterie (SOC) und stellt den Ladestrom nach Bedarf ein. Der PMIC verwaltet auch die Entladeleistung der Batterie und entscheidet, wann die Last isoliert werden muss, um Schäden und einen fehlerhaften Systembetrieb zu vermeiden. Die notwendige Kommunikation von PMIC und Wandler mit dem Host-Mikrocontroller erfolgt in der Regel über das PMBus-Protokoll, SPI- oder I²C-Schnittstellen.
Implementierung der Stromversorgung: Für die meisten Applikationen wählt das Entwicklerteam ein Modul oder eine integrierte Komponente, von denen einige im nächsten Abschnitt vorgestellt werden. Ein diskreter Ansatz kann jedoch sinnvoll sein, wenn das Team die erforderlichen Versorgungsspannungen nicht mit handelsüblichen Bauelementen realisieren kann.
Beliebte Stromversorgungskomponenten
Ein Beispiel für ein AC/DC-Netzteil ist die Serie PBO-15C mit Einzelausgang von CUI . Die 15-Watt-Netzgeräte der Serie PBO-15C sind in einem SIP-Gehäuse (Single In-Line Package) mit offenem Rahmen für die horizontale oder vertikale Leiterplattenmontage untergebracht. Die Serie eignet sich für den universellen breiten Eingangsbereich von 85 VAC bis 305 VAC und ist mit den Nennspannungen von 3,3 VDC bis 24V DC erhältlich.
Der Ausgang ist galvanisch vom Eingang bis zu 3.000VAC für eine Minute isoliert. Die PBO-Serie eignet sich für Industrie- und Smart-Home-Anwendungen, entspricht den Anforderungen der IEC 62368 und ist eine Ausführung der Klasse II (ohne Schutzerde).
Die Serie entspricht auch den Normen EN55032 EMC und EMI für leitungsgebundene und abgestrahlte Störfestigkeit. Die Leitungsregulierung gibt an, wie sich die Ausgangsspannung ändert, wenn sich die Eingangsgröße ändert, und ist bei Volllast besser als +/-0,5 Prozent. Die Lastregelung gibt an, wie sich Laständerungen auf die Ausgangsspannung auswirken. Sie beträgt beim 5-VDC-Modell +/-1,0 Prozent bei einer Last von 0 bis 100 Prozent. Die Leistungsaufnahme im Leerlauf bei einer Eingangsspannung von 230 VAC beträgt 0,25 W, und der Wirkungsgrad ist bei den Modellen mit 9 VDC- bis 24 VDC-Ausgang in der Regel besser als 82 Prozent.
Für batteriebetriebene Applikationen oder solche, die bereits über einen AC/DC-Wandler verfügen, kann ein Linearregler eine bequeme, kostengünstige und kompakte Methode zur Bereitstellung einer geregelten Gleichstromschiene darstellen. Ein Beispiel für einen dreipoligen Linearregler ist der L78L12ACZ-TR von STMicroelectronics. Der L78L12 liefert einen geregelten 12 VDC-Ausgang von bis zu 100 mA aus einer Eingangsspannung von 14 VDC bis 35 VDC und ist in einem TO-92-3-Gehäuse untergebracht, das für die Durchsteckmontage geeignet ist. Die L78L-Reglerfamilie bietet alle gängigen Nennwerte von 3,3 VDC bis 24 VDC. Der Ruhestrom des Reglers (ohne Last) beträgt 6,5 mA. Die einfache Konstruktion von Linearreglern sorgt für eine rauscharme Charakteristik, sodass sie sich für Applikationen eignen, bei denen leitungsgebundenes Rauschen die Systemleistung stört (zum Beispiel für eine präzise Analog-Digital-Wandlung).
Der LDO (Low-Dropout-Regler) ist ein rauscharmer Linearreglern. Ein extrem rauscharmer 200-mA-Linearregler ist etwa der ADP151 von Analog Devices. Ein LDO zeichnet sich durch eine minimale Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung aus. Der ADP151 kann bei einer Eingangsspannung von 2,2 VDC bis 5,5 VDC bis zu 200 mA liefern und eignet sich für batteriebetriebene Analogwandler und HF-Applikationen.
Linearregler sind äußerst beliebt, können jedoch keine Ausgangsspannung liefern, die größer als die Eingangsspannung ist. Je nach Topologie (das heißt je nachdem, wie die Umwandlung erfolgt) können schaltende DC/DC-Wandler diese Funktion übernehmen und eine Ausgangsspannung liefern, der niedriger ist als die Eingangsspannung. DC/DC-Wandler sind eine praktische, kosten- und platzsparende Lösung für die Bereitstellung einzelner oder mehrerer Stromschienen für ein Embedded-Design. Es gibt mehrere verschiedene Arten von DC/DC-Wandlertopologien. Einige Topologien bieten eine galvanische Isolierung zwischen Eingang und Ausgang, während andere nicht isoliert sind. Die meisten leiten sich von zwei Typen ab oder sind Iterationen davon: Abwärtswandler (Step Down) oder Aufwärtswandler (Step Up).
Ein Beispiel für einen kompakten DC/DC Wandler mit einem Ausgang ist die IZB Serie von XP Power. Diese isolierten und geregelten 3-Watt-Wandler sind in einem SIP8-Gehäuse mit Industriestandard untergebracht und in verschiedenen Eingangs- (2:1) und Ausgangsspannungskombinationen mit den gängigen Nennwerten von 3,3 VDC bis 24 VDC erhältlich. Der Wirkungsgrad beträgt typischerweise 68 Prozent bis 84 Prozent und ist geräteabhängig. Die Leitungsregelung ist besser als 0,5 Prozent bei einer Änderung der Eingangsspannung um 1 Prozent und die Lastregelung liegt innerhalb von 1 Prozent bis zur Volllast. Die Schaltfrequenz beträgt 250 kHz für alle Lastbedingungen.
Ein weiterer kompakter, schaltender DC/DC-Wandler ist die nicht isolierte Serie TSR 1.5E von Traco. Er kann bei einem Eingang von 7 VDC bis 36 VDC (15 VDC bis 36 VDC für das Modell mit 12-V-Ausgang) bis zu 1,5 A liefern. Erhältlich sind Modelle mit 3,3 VDC, 5 VDC und 12 VDC. Der Wirkungsgrad beträgt typischerweise 95 Prozent über den gesamten Bereich.
Wie bereits erwähnt, sind für einige batteriebetriebene Handheld-Designs Schaltungen erforderlich, die eine Batterie aufladen und eine geregelte Versorgungsspannung liefern. Eine mögliche Lösung für diese Art von Schaltkreisen ist der hochintegrierte Ultra-Low-Power-PMIC MAX77654 von Maxim Integrated. Als Abwärtsregler mit drei Ausgängen und einem Induktor und mehreren Ausgängen (SIMO) kann der MAX77654 programmierbare Ausgangsspannungen von 0,8 VDC bis 5,5 VDC liefern. Zwei separate 100 mA-LDO-Ausgänge stehen ebenfalls zur Verfügung.
Der MAX77654 PMIC ist für kleine Li-Ionen-Batterien optimiert und bietet programmierbare Ladeströme und hochentwickelte Batterieüberwachungsfunktionen, wie zum Beispiel die Messung der Batterietemperatur nach dem Industriestandard JEITA Thermal Regulation.
Fazit
In diesem kurzen Beitrag haben wir viele wichtige Faktoren aufgezeigt, die bei der Entscheidung über die Stromversorgung Ihres Embedded-Designs zu berücksichtigen sind. Der Applikationstyp und die beabsichtigten Anwendungsfälle bestimmen die Anforderungen an die Stromversorgung in Bezug auf Spannung und Strom. Zudem gibt es weitere technische Faktoren wie die Effizienz, den verfügbaren Platz auf der Leiterplatte und die Kommunikation mit dem Host-Prozessor, um nur drei zu nennen.
