Embedded Control für PC- und HB-LED-Versorgungen
Cirrus Logic: AC/DC wird digital
Mit einem äußerlich unscheinbaren, aber innen hochkomplexen Baustein stellt Cirrus Logic einen digitalen Controller vor, der mit Hilfe weniger Zusatzbauelemente zu einem kompletten und effizienten AC/DC-Wandler mit wirksamer PFC wird.
»Der Entwickler muss nichts programmieren«, versichert Will Draper, Product Marketing Manager für Energy, Exploration & Light (EXL) beim Halbleiterhersteller Cirrus Logic; »die gesamte Software steckt im Controllerbaustein«. Die Rede ist von den neuen Bausteinen CS1500 und CS1600, mit denen sich ohne großen Aufwand ein kompletter und hocheffizienter AC/DC-Wandler mit Leistungsfakturkorrektur (power factor correction, PFC) aufbauen lässt.
Schlichter Winzling mit ungeahntem Innenleben
Von außen sieht man dem winzigen SOIC-Gehäuse (etwa 4 x 5 x 1,7 mm) gar nicht an, dass es einen hochkomplexen Silizium-Chip in 35-nm-Struktur beherbergt: Gerade mal acht Beinchen ragen aus dem Gehäuse heraus – und von ihnen sind zwei nicht einmal mit dem Chip verbunden! In ihm befindet sich aber ein technologisches Wunderwerk, das in puncto Komplexität und Leistungsfähigkeit den ersten IBM-PC wie ein Relikt aus der Steinzeit aussehen lässt: On-Chip befinden sich ein DSP, Programm- und Arbeitsspeicher, MOSFETs, zwei Analog-Digital-Wandler (ADC) und vieles mehr. Der Baustein verträgt Betriebstemperaturen von -40 °C bis 125 °C (Grenzschichttemperatur; thermischer Widerstand zur Umgebung gemäß JESD 51 liegt bei 159 K/W).
Das Ganze dient nur einem Zweck: der effizienten Wandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. »Der optimale Leistungsbereich beginnt ungefähr bei 20 W und reicht bis rund 250 W,« sagt Draper. Es lassen sich aber auch Stromversorgungen von 300 W realisieren. Das reicht in aller Regel für PC-Versorgungen, Fernseher und LED-Leuchten. Bis 20 W wird man hingegen vorerst wohl auch weiterhin analoge Schaltungen einsetzen, zumal in dieser Leistungsklasse eher selten nach PFC gefragt wird.
Patentlösung
In den neuen Bausteinen steckt eine Fülle an Know-how. »Die Technologie basiert unter anderem auf 53 patentierten oder zum Patent angemeldeten Erfindungen«, berichtet Draper. Der Aufwand dürfte sich aber gelohnt haben: Ein kompletter AC/DC-Wandler besteht nur noch aus einem CS1500, einem Brückengleichrichter, einer Spule, einem MOS-FET, fünf Widerständen, drei Kondensatoren und zwei Dioden (siehe Schaltbild). Und seine Leistungsdaten können sich sehen lassen. Zwar ist der Wirkungsgrad eines typischen DCM-Wandlers (Discontinuous Conduction Mode, Wandler in lückender Betriebsart) mit 95 bis 97 Prozent (je nach Eingangsspannung) bei Volllast nur etwas besser als die besten analogen Lösungen, jedoch sinkt er bei Teillast viel weniger ab: Bei 10 Prozent Teillast schafft eine analoge Lösung meistens keine 90 Prozent mehr, während die digitale Lösung immer noch mindestens 93 Prozent der aufgenommenen elektrischen Energie weitergibt. Hinzu kommt, dass die Störstrahlung deutlich geringer ist. Das führt zu einer spür- und messbar besseren elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV, siehe Grafik).
Dass die EMV besser ist, hat auch mit der intelligenten Variation der Schaltfrequenz zu tun. Für Netzspannungen ab 185 V variiert die Schaltung sie zwischen 28 und 48 kHz (bis 185 V liegt sie zwischen 42 und 73 kHz). In der unmittelbaren Nähe des Nulldurchganges wird gar nicht geschaltet, oberhalb einer Schwelle wird bei zunehmender Spannung bis zum Scheitelpunkt der Welle mit zunehmender Frequenz geschaltet. Danach nehmen Spannung und Frequenz bis zu einem Schwellenwert wieder ab. Im Nulldurchgang ist der Schalter also »leise«, was der EMV zu Gute kommt. Außerdem führt diese Prozedur auch zu einer besseren Wandlungseffizienz.
Je höher die Versorgungsspannung ist, umso höher ist auch der Wirkungsgrad. Beträgt diese 265 V, liegt der Wirkungsgrad bei 25/50 bzw. 100 Prozent Last bei 96,5/97 bzw. 97,3 Prozent. Bei 90 V Netzspannung sinken diese Wert um rund 2,5 Prozentpunkte. Der für die EMV sehr wichtige Wert für die harmonische Verzerrung (THD, total harmonic distortion) bei Volllast liegt in beiden Fällen bei 2,5 Prozent; ein solcher Wert ist mit analoger Technik kaum erreichbar.
Für die LED-Lichttechnik hat Cirrus übrigens eine eigene Variante der Technik entwickelt. Sie heißt CS1600 und unterscheidet sich »nur« im Kompensationsregelkreis vom CS1500. »Wir haben uns hierfür eine beträchtliche Mühe gemacht, weil die LED-Technik möglichst geringe Ausgangskapazitäten bevorzugt, wenn es geht sogar ohne Nutzung von kurzlebigen elektrolytischen Kondensatoren. Das geht nur mit einer deutlich veränderten Regelungscharakteristik«, erklärt Draper die Motivation hinter der LED-Variante, die sich künftig häufig in langlebigen Vorschaltgeräten der LED-Lichttechnik verstecken dürfte.
Weil der Wandler prinzipiell eine gleichgerichtete Spannung mit relativ hoher Restwelligkeit bereitstellt, eignet er sich nicht zur Versorgung von Abnehmern, die eine niedrige und stabile Gleichspannung (z.B. PCs) oder einen stabilen hohen Gleichstrom (z.B. LED-Leuchten) benötigen. Man wird also in aller Regel noch einen konventionellen DC/DC-Schaltregler (Tiefsetzsteller) nachschalten. »Wir arbeiten aber schon an einem IC, in dem auch diese Funktion, wie sie für eine typische LED-Leuchtenlösung gebraucht wird, integriert ist«, verspricht Draper.
Damit interessierte Entwickler sich rasch ein Bild von der Technik und ihrer Leistungsfähigkeit machen können, stellt Cirrus Logic sowohl für den CS1500 als auch für den CS1600 ein Demoboard zur Verfügung.
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