Netzteile bei geringer Last
Fünf Praxis-Tipps für niedrigere Verluste
Ein hoher Wirkungsgrad von Netzteilen bei Vollast ist eigentlich kein Problem. Schwieriger wird es, die Verluste bei geringer Last zu reduzieren. Einige Schaltungsvorschläge, mit denen man bei einem Sperrwandler-Netzteil auch die letzten Milliwatt an Verlustleistung beseitigen kann.
Für den Entwickler ist es mitunter eine ziemliche Herausforderung, die geltenden Vorgaben zur Energieeffizienz von Stromversorgungen einzuhalten. Es ist schon schwer genug, sich immer über die genauen Anforderungen im Klaren zu sein angesichts einer unüberschaubaren Zahl von Initiativen und Richtlinien, die sich je nach Gerätekategorie, Leistung und zuständiger Behörde unterscheiden.
Beispiele hierfür sind die Energy-Star-Norm, die Vorgaben der kalifornischen Energiekommission oder die EU-Standby-Verordnung – um nur einige zu nennen. Schon nach kurzer Beschäftigung mit diesen Energiespar-Initiativen wird deutlich, dass für den Entwickler von Stromversorgungen eine der größten Herausforderungen darin besteht, die Energieverluste bei geringen Lasten oder im Leerlaufbetrieb zu minimieren.
Tipp 1: Auswahl eines „grünen“ Controllers
Der Controller-Chip ist gewissermaßen das „Gehirn“ der Stromversorgung. Die meisten Vorgaben zur Standby-Energieeffizienz lassen sich bereits durch die Auswahl eines solchen Bausteins erfüllen, der speziell darauf ausgelegt ist, die Verlustleistung bei geringer Last zu reduzieren.
Erfreulicherweise haben die Hersteller von Controller-Chips für Stromversorgungen bereits auf die wachsende Nachfrage nach effizienteren Bausteinen reagiert und eine neue Generation von Green-Mode-Controllern eingeführt. Die meisten dieser Green-Mode-Sperrwandler-Controller sind stromgesteuert, d.h., ihre Steuersignale enthalten Informationen zur Last am Ausgang des Netzteils.
Bei geringer Last gehen die Controller in einen Burst-Modus. In dieser Betriebsart wechseln die Controller zwischen den Zuständen Ein und Aus. In der Aus-Phase geht der Controller gewissermaßen in den Ruhezustand, und die Leistungskomponenten der Stromversorgung bleiben inaktiv (kein Schalten). Da im Aus-Zustand kein Strom übertragen wird, beginnt die Ausgangsspannung abzufallen. Der Green-Mode-Controller überwacht die Ausgangsspannung und wechselt schließlich in den Ein-Zustand, um das Spannungsniveau wieder anzuheben.
Energieverluste treten dabei hauptsächlich während des Ein-Zustands auf, so dass der Ein-Aus- Zyklus einen erheblichen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad hat. Der Ein-Zustand dauert typischerweise einige hundert μs. Die Dauer des Aus-Zustands richtet sich nach der Last und kann bei extrem niedrigen Lasten im zweistelligen ms-Bereich liegen.
Ein Nebeneffekt des Burst-Betriebs besteht darin, dass es am Ausgang zu einer zusätzlichen niederfrequenten Brummspannung kommt. Im Ein-Zustand enthält die Ausgangsspannung die typischen Wechselstromanteile, die mit normalen Schaltvorgängen im Netzteil einhergehen. Diese werden jedoch noch durch zusätzliche Wechselstromanteile in der Burst-Frequenz überlagert. Dieses Verhalten ist in Bild 1 dargestellt.
Nachdem die Burst-Frequenz relativ niedrig ist, ist es nicht sinnvoll, sie mithilfe eines LC-Filters zu dämpfen. Stattdessen reduziert man die niederfrequenten Anteile in der Ausgangsspannung am besten dadurch, dass man die Ausgangskapazität erhöht.
Neben einem Burst-Betrieb sind in den meisten Green-Mode-Controllern weitere Energiesparfunktionen implementiert, wie beispielsweise eine verminderte Ruhestromaufnahme. Viele Controller arbeiten mit quasi-resonanten Schaltungen, um den Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich zu verbessern. Quasi-resonante Sperrwandler-Netzteile nutzen die Resonanz, die durch die Streuinduktivität des Transformators sowie durch Parasitärkapazitäten gebildet wird, um den MOSFET mit geringeren Verlusten einzuschalten.
- Fünf Praxis-Tipps für niedrigere Verluste
- Tipp 2: Reduzieren der Verluste in Einschaltwiderständen
- Tipp 3: Keine Angst vor Überschwingern
- Tipp 4 und 5
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