Suchen

Grundlagen Power-Tipp, Teil 62: Welche Auswirkungen hat das Envelope Tracking auf Netzteile?

| Autor / Redakteur: Robert Kollman / Kristin Rinortner

Der Wirkungsgrad von Hochfrequenz-Leistungselektronik wird immer wichtiger. Dies gilt für Low-Power-Systeme, in denen auch noch die letzte Minute an Betriebszeit aus einer Batterie herausgeholt werden soll, ebenso wie für Basisstationen hoher Leistung, die erhebliche Energiekosten verursachen können.

Power-Tipp
Power-Tipp
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Eine einleuchtende Möglichkeit, diese Situation zu verbessern, besteht darin, stets nur die tatsächlich benötigte HF-Leistung abzustrahlen. Dies lässt sich relativ leicht erreichen, denn die verwendeten AB-Verstärker müssen nur mit einem schwächeren Treibersignal angesteuert werden, wenn eine geringere Ausgangsleistung gewünscht wird. Man kann sogar noch einen Schritt weiter gehen und auch die Versorgungsspannung der Verstärker absenken, sobald die Ausgangsleistung reduziert werden soll. Dies ist in Bild 1 illustriert. Für zwei verschiedene Versorgungsspannungen ist hier der Verstärker-Wirkungsgrad als Funktion der Ausgangsleistung aufgetragen. Man erkennt deutlich, dass das Absenken der Versorgungsspannung die Effizienz verbessert, während im Gegenzug die Ausgangsleistung des Verstärkers zwangsläufig begrenzt wird.

Bild 1: Eine geringere Versorgungsspannung sorgt für Effizienz, setzt aber der Ausgangsleistung Grenzen. (Bild: TI)

Die Reaktionsgeschwindigkeit kann in Systemen dieser Art ein Thema sein, denn die Bandbreite von Schaltnetzteilen ist meist auf einige zehn Kilohertz begrenzt, während sich die Modulations-Anforderungen im Bereich mehrerer Megahertz bewegen können. Man hat Kombinationen aus Linear- und Schaltregler wie die Bausteine LM3290 und LM3291 entwickelt. Diese enthalten einen Linearregler mit einer Regelkreis-Bandbreite von 50 MHz im Verbund mit einem leistungsfähigen Schaltregler.

Letzterer bietet dem Low-Dropout-Regler (LDO) einerseits ausreichend Reserven für das Envelope Tracking und hält andererseits die Verluste niedrig. Darüber hinaus gab es Initiativen mit dem Ziel, die Regelkreise schneller zu machen, indem man fortschrittliche Schaltbausteine beispielsweise auf GaN-Basis nutzt, um die Schaltfrequenz der Netzteile auf deutlich mehr als 1 MHz anzuheben.

Netzteil muss als Stromquelle und Stromsenke arbeiten

Abgesehen von einem schnellen Regelkreis müssen Netzteile für das Envelope Tracking die Fähigkeit mitbringen, sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke zu arbeiten. Das Netzteil muss nämlich in der Lage sein, die im Ausgangskondensator gespeicherte Ladung schnell abfließen zu lassen, um die Ausgangsspannung rasch zu reduzieren. Ein langsames Entladen über den Verbraucher kommt hier nicht in Frage, denn hieraus würden erhebliche Verluste resultieren.

Wenn ein Netzteil auch als Stromsenke einsetzbar sein soll, ergeben sich gravierende Auswirkungen auf seine Architektur, denn es muss Energie in beiden Richtungen verarbeitet werden können. Die überschüssige Ladung aus dem Ausgangskondensator muss schließlich irgendwohin abfließen, und darüber hinaus müssen die Regelung, die Stromabtastung und die Strombegrenzung für den Betrieb als Stromquelle und Stromsenke ausgelegt sein.

Eine Möglichkeit, die Ladung aus den Ausgangskondensatoren zu holen, ist die Verwendung eines Netzteils mit synchroner Topologie. Hierbei werden die Ausgangsdioden durch Halbleiterschalter ersetzt, die den Stromfluss in beiden Richtungen ermöglichen. Eine naheliegende Lösung wäre ein synchroner Abwärtswandler, wie er schon seit Jahren im Zusammenhang mit DDR-Speichern eingesetzt wird, bei denen ebenfalls eine Stromquelle und -senke benötigt wird.

Ebenso geeignet sich jedoch auch isolierte synchrone Topologien, bei denen ein Stromfluss in der Gegenrichtung im Prinzip durch nichts verhindert wird. Sperr- und Flusswandler und phasenversetzte Brückenwandler wurden allesamt bereits erfolgreich in Anwendungen eingesetzt, in denen in beiden Richtungen Energie fließt.

Die nächste Frage lautet, wohin die überschüssige Energie aus dem Kondensator geleitet wird. Bei synchronen Topologien fließt sie an den Eingang des Netzteils zurück, um von anderen Netzteilen aufgenommen oder in den eingangsseitigen Filterkondensatoren gespeichert zu werden. Wenn allerdings keine weiteren Netzteile vorhanden sind, sollte überlegt werden, welche Spannungsspitzen am Eingang durch diese Energie verursacht werden können. Ebenso sollte berücksichtigt werden, welche Wechselwirkungen diese Spannungsschwankungen mit anderen Systemen haben können, die an diesen Eingang angeschlossen sind.

Als letztes Thema im Zusammenhang mit Netzteilen dieser Art bleibt die Tatsache anzusprechen, dass die traditionellen Strommessverfahren unidirektional sind. Fließt der Strom hier in die entgegengesetzte Richtung, kann das rampenförmige Strommesssignal für den Current-Mode-Betrieb verlorengehen – mit erheblichen Auswirkungen auf den Regelkreis. Hinzu kommt, dass die Strombegrenzung in der Gegenrichtung nicht wirksam ist. Bedenkt man zusätzlich den sehr breitbandigen Regelkreis, so wird deutlich, dass ein hohes Überstromrisiko besteht, wenn dem Ausgangskondensator Ladung entnommen wird.

Bild 2. Der Strom wechselt seine Richtung, um den Ausgangskondensator zu entladen (Bild: TI)

Ein Beispiel eines für das Envelope Tracking geeigneten Netzteils ist der PMP5726. Dieser phasenversetzte Brückenwandler ist mit Synchrongleichrichtern bestückt und ermöglicht daher einen bidirektionalen Stromfluss. Er arbeitet mit der Voltage-Mode-Regelung und nutzt einen Stromwandler mit Vollwellen-Gleichrichtung, um in beiden Richtungen eine Strombegrenzung zu bieten. Bild 2 zeigt das Verhalten dieses Wandlers, wenn dem Ausgangskondensator Ladung entnommen wird. Dank der 20 kHz betragenden Bandbreite des Regelkreises dauert es nur 50 µs, bis der Strom sein Vorzeichen ändert und den Ausgangskondensator in 500 µs linear von 30 V auf 20 V entlädt.

Das Envelope Tracking verlangt somit nach einem breitbandigen Netzteil mit der Fähigkeit, als Stromquelle und als Stromsenke zu arbeiten. Der bidirektionale Stromfluss macht das Design komplizierter, denn es muss die Synchrongleichrichtung und die Energiespeicherung ebenso berücksichtigen wie den Vorzeichenwechsel des Strommesssignals. Insgesamt aber legt das Envelope Tracking den Topologien keinerlei Restriktionen auf, solange es sich um synchrone Topologien handelt.