Größen- und Kostenoptimierte Stromversorgungen für kabellose Anwendungen

In der Welt der Elektronik werden Stromlösungen (d. h. Stromversorgungen, Stromwandlungsgeräte, Energiespeicher, Sicherheitskomponenten und zugehörige Verbindungen/Platinen/Kabel usw.) gemeinhin als notwendiges Übel angesehen. Natürlich läuft nichts ohne Strom. Aber die meisten Designer und Ingenieure konzentrieren sich lieber auf die Optimierung ihrer Systeme für die Anwendung und den Overhead, um das System am Laufen zu halten.

Wie zum Trotz kommt noch das Ärgernis hinzu, dass Stromlösungen oft den größten Teil der Ausmaße und des Gewichts des System sowie der Stückkosten ausmachen und sogar den gesamten Entwicklungszeitplan in Gefahr bringen. Wenn man sich mit den Problemen befasst, die Stromlösungen verursachen, kommt man schnell vom Hundertsten ins Tausendste (man denke nur an die Lieferkette und die Fertigung). Aber das ist weder der Schwerpunkt noch das Ziel dieses Whitepapers. Es ist vielmehr unsere Hoffnung, dass der Inhalt dieses Dokuments und die zusätzlichen Verweisquellen dazu beitragen, diese aus vergangenen Zeiten stammenden negativen Wahrnehmungen umzukehren und einen optimistischen Blick in eine nachhaltigere Zukunft zu richten.

Zu den üblichen Leistungsmerkmalen eines Systems gehören Größe (Size), Gewicht (Weight) und Leistung (Power) - auch als SWaP-Faktoren bekannt. In Verbindung mit einer Kostenkennzahl (Cost) kann man auch von SWaP-C-Faktoren sprechen. Angesichts der oben erwähnten Tatsache, dass Stromlösungen bekanntlich diese Leistungsmerkmale im Gesamtsystemdesign dominieren, ist es natürlich sinnvoll, diese Eigenschaften unter die Lupe zu nehmen - insbesondere für die Systemkomponenten, die das Stromversorgungs-Subsystem bilden und/oder unmittelbar dazugehören. Die Leistungsdichte ist in der Regel eine Funktion der verfügbaren Gesamtleistung im Verhältnis zum Gesamtvolumen der Lösung und ist der Grund dafür, dass sich die Größe der Komponenten allgemein umgekehrt proportional zur Leistungsdichte verhält. Die Kennzahl der Leistungsdichte führt noch einen Schritt weiter, wenn sie mit der Gesamtmasse der Lösung (in der Regel in Erdgewicht umgerechnet) kombiniert wird. Sie kann bei nicht-kabelgebundenen Anwendungen ein kritisches Leistungsmerkmal sein, das im Folgenden aus mehreren Blickwinkeln betrachtet wird.

Bei den Komponenten, aus denen Stromversorgungslösungen bestehen, sind es vor allem die Filterkomponenten in Form von Magneten (d. h. Transformatoren, Induktivitäten, Ringkernspulen, Drosseln usw.) und Kondensatoren (d. h. Speicher-/Elektrolytkondensatoren, Entstörkondensatoren usw.), die die SWaP-Faktoren (und manchmal auch SWaP-C-Faktoren) bestimmen. Diese ermöglichen häufig die Einhaltung von Sicherheits- und anderen Normen, wie zum Beispiel jene für kritische Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und den Schutz vor gefährlichen Spannungs- und/oder Energiestoßpegeln, sowie zur Stromkonditionierung. Filterkomponenten können in hohem Maße daran beteiligt sein, SWaP-Faktoren in unerwünschte Richtungen zu lenken und es trotzdem äußerlich als „harmlose Stromkreise“ für die Kernanwendung erscheinen zu lassen. Darum sollte man sich immer wieder vor Augen führen, warum es solche Anforderungen gibt und warum die Gründe für ihre Einhaltung über das bloße Abarbeiten behördlich vorgeschriebener Checklisten hinausgehen.

Dazu kommt, dass Filterkomponenten aus Schaltplan-Perspektive ziemlich rudimentär aussehen können. Aber der Aufbau und die Implementierung solcher Bauelemente können unerwartet komplex sein, besonders wenn die Compliance-Ziele erfüllt und die SWaP-C-Faktoren optimiert werden sollen.

Hier kann es sehr vorteilhaft sein, handelsübliche Produkte für Filterung und Schutz zu verwenden, die von erfahrenen Fachleuten entwickelt wurden.

Auch wenn sie in der Regel im gesamten System verteilt sind, können Verbindungskomponenten (d. h. Drähte, Kabelbäume, Steckverbinder usw.) erheblich zu den SWaP-bezogenen Herausforderungen beitragen. Das gilt besonders bei Verkehrsmitteln. Ein modernes Fahrzeug kann schnell mal mehr als 1,5 Kilometer Kabel enthalten, was erheblich zum Gesamtgewicht beiträgt. Bedenkt man, mit welcher Macht Elektrofahrzeuge in den Markt gedrückt und sensorgestützte Datenerfassung, hochentwickeltes Computing und drahtlose Kommunikation in Mobilitätsanwendungen angewendet werden, kann sich dieser Trend in Zukunft nur noch verstärken.

Der Anwendungsbereich für Elektronik ist zwar sehr breit gefächert, aber die Techniken zum Vermindern der Wärmeentwicklung können erheblich zu Größe und Gewicht eines Systems beitragen. Kühlkörper können sehr sperrig werden - insbesondere bei passiv oder konduktiv gekühlten Anwendungen. Bei Zwangsbelüftungslösungen können die Lüfter nicht nur einen erheblichen Teil des Gesamtvolumens des Systems beanspruchen, sondern auch eine nicht unerhebliche Menge an Strom verbrauchen, was die SWaP-bezogenen Herausforderungen insgesamt noch verschärft. Das sollte uns vor Augen halten, wie wichtig eine Steigerung der Stromversorgungseffizienz ist. Sie reduziert die Verlustleistung und verringert nahezu aller hier genannten Design-Herausforderungen in Bezug auf SWaP-C-Faktoren und darüber hinaus [1]. Einige Anwendungen können umfangreiche Anforderungen an die Bauweise stellen, die einen größeren Anteil an Größe und Gewicht haben kann, wie z. B. Gehäuse oder Chassis und selbst Vergussmaterial [2], das zum Verkapseln der Elektronik verwendet wird. Die Systemanforderungen, die diese SWaP-Kontributoren bestimmen, reichen von der Zuverlässigkeit, wie zum Beispiel beim Schutz vor Umge-bungseinflüssen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Staub oder leitfähigen Partikeln (auch als metallische Schwebeteilchen bekannt), bis hin zur hermetischen Abdichtung aus Gründen der Wasserdichtigkeit und/oder Sicherheit. Hier können auch nicht-technische Gründe eine Rolle spielen, wie zum Beispiel der Schutz vor unerwünschter Neugier und Reverse Engineering.

Bis jetzt wurden alle hier beschriebenen Komponenten und Lösungen nur im Kontext der SWaP-Faktoren betrachtet. Aber bei fast jedem System oder jeder Anwendung wird auch strikt auf die Kosten geachtet, weshalb SWaP-C-Analysen durchgeführt werden. Es wäre unverantwortlich, stark verallgemeinernde Faustregeln für einen Kompromiss zwischen Komponenten und Kosten aufzustellen, da es für jeden Typ oder jede Klasse von Komponenten ein breites Spektrum an Lösungen und ein noch breiteres Spektrum an Anwendungsgebieten gibt.

Die größte Bedeutung haben SWaP-Faktoren für nicht-kabelgebundene Anwendungen, wo Leistung, Reichweite und Zuverlässigkeit eines Systems von der verfügbaren Energie abhängen (obwohl ... wo in der Welt der Elektronik wäre das anders?). Nicht-kabelgebundene Anwendungen sind solche, bei denen das System nicht an eine feste Stromversorgung angeschlossen sein muss, wie z. B. Wechselstrom aus einer Steckdose (auch als Offline-Stromversorgung bekannt). Beispiele dafür sind alles, was mobil ist (von Telefonen bis zu Fahrzeugen), die meisten Verkehrsmittel (auf dem Land oder in der Luft), Kleinstgeräte (Wearables und drahtlose Sensornetzwerke) und selbst die am wenigsten gebundenen Anwendungen, die man sich überhaupt vorstellen kann (Weltraum-Anwendungen).

Die verfügbare Energiemenge für ein nicht-kabelgebundenes System kann auf verschiedene Weise charakterisiert werden. Am Ende läuft es aber immer auf ein Gleichgewicht zwischen den Stromversorgungen und den Lasten hinaus, die diese Energie verbrauchen. Wie im ersten Abschnitt beschrieben, kommt den SWaP-Faktoren in diesem Anwendungsbereich aus einem ganz bestimmten Grund eine solche Bedeutung zu: der ständige Kampf zwischen der Zuteilung von Energie für Funktionalität (d. h. Bewegung, Datenanalyse, Kommunikation usw.) und der Unterstützung des Overheads des Systems selbst (d. h. eine größere Masse verbraucht einen größeren Teil des Energiebudgets). Solche Charakterisierungen der Energienutzung sind letztlich der einschränkende betriebliche Faktor, ob man es nun Kraftstoff (die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen), Batterielebensdauer, Reichweite oder Flugzeit nennt. In der folgenden Tabelle sind eine Reihe anwendungsabhängiger Erwägungen und ihre Auswirkung auf die SWaP-C-Faktoren dargelegt.

Eine ausgezeichnete Strategie zur Optimierung von Systemkompromissen für SWaP-C-Faktoren ist die vorteilhafte Nutzung einer Familie von Komponenten mit gemeinsamem Footprint. Das kann viele Vorteile mit sich bringen - von höherer Designflexibilität ...