Power-Tipp Spannungsversorgung designen: Die Architektur kommt zuerst

Werkzeuge zum Erstellen einer Spannungsversorgungsarchitektur sind nicht weit so verbreitet wie Berechnungs- und Simulationswerkzeuge. Wir zeigen die Möglichkeiten von LTpowerCAD. Mit diesem Tool lassen sich verschiedene Spannungsversorgungsarchitekturen übersichtlich darstellen und vergleichen.

Um eine Spannungsversorgung zu entwickeln, nutzen Elektronik-Ingenieure verschiedene Werkzeuge. Diese nehmen dem Entwickler mühsame Kleinarbeit ab. Zu den bekanntesten Werkzeugen zählt das Simulationstool LTSpice. Hiermit kann der Entwickler recht einfach eine Schaltung zur Spannungswandlung und deren Eigenschaften simulieren. Der Elektronik-Ingenieur kann so per Simulation verschiedene Spannungs- und Stromverläufe berechnen, damit den Schaltplan optimieren und ihn besser an das Lastenheft anpassen.

Daneben gibt es auch andere nützliche Berechnungswerkzeuge wie LTpowerCAD. Nach den Vorgaben aus dem Lastenheft – beispielsweise Eingangsspannungsbereich, Ausgangsspannung, Laststrom, Spannungswelligkeit am Ausgang und vielem mehr – lässt sich hiermit die Schaltung berechnen und eine Optimierung vornehmen. Das Tool schlägt einen passenden Spannungswandler-IC und externe, passive Komponenten vor. Somit ist ein Werkzeug wie LTpowerCAD die Vorstufe zur Schaltungssimulation mit LTSpice.

Bevor der Entwickler die Schaltung simuliert und berechnet, muss er die Spannungsversorgungsarchitektur, auch ‚Power Tree‘ genannt, festlegen. Eine komplette Spannungsversorgung eines Systems erfordert üblicherweise mehr als nur einen Spannungswandler. Häufig werden mehrere unterschiedliche Spannungen benötigt. Die Unterschiede in den Architekturen lassen sich hervorragend mit einem Architektur-Tool wie dem LTpowerPlanner berechnen und visualisieren.

Bild 1 zeigt die Oberfläche des LTpowerPlanner, auf der eine Spannungsversorgungsarchitektur dargestellt ist. Hier steht eine Spannung 24 V zur Verfügung. Aus dieser sollen unterschiedliche Versorgungsspannungen mit verschiedenen Strömen erzeugt werden. Die unterschiedlichen Blöcke können einfach hinzugefügt und mit Verbindungslinien verknüpft werden. Beim Klicken auf einen dieser Blöcke wird die Effizienz der jeweiligen Spannungswandlung definiert. Sind diese Eingaben gemacht, berechnet das Tool die Effizienz der kompletten Spannungswandler-Architektur. Die Architektur in Bild 1 hat eine Gesamteffizienz von 91,6%.

Mit Architekturwerkzeugen kann der Nutzer verschiedene Spannungswandler-Architekturen miteinander vergleichen. Bild 2 zeigt eine Lösung für dieselben Vorgaben wie in Bild 1, jedoch anders aufgebaut. Hier wurde ein Linearregler (LDO) verwendet, um die 1,2-V-Schiene aus der 2,8-V-Schiene zu erzeugen. Eine solche Lösung mit einem Linearregler ist günstiger als der ‚Converter 4‘ in Bild 1.

Bei der Lösung in Bild 2 wird zudem die 3,3-V-Spannung nicht direkt aus 24 V, sondern aus der 5-V-Zwischenkreisspannung mit dem Converter 2 erzeugt. Die Effizienz der zweiten Lösung beträgt nur 86,3%, liegt also 5,3% unterhalb der Lösung aus Bild 1.

Die Bilder 1 und 2 zeigen neben der Architektur auch die berechneten Effizienzen.

Bei der Entscheidung, welche Architektur nun die bessere ist, kann der Entwickler die Kosten der jeweiligen Lösung, die Leistungseffizienz der gesamten Architektur sowie die jeweilige Baugröße vergleichen. Das ist ohne Hilfsmittel nur schwer zu realisieren.

Der LTpowerPlanner kann als eigenständiges Werkzeug zum Erstellen einer Spannungsversorgungsarchitektur aufgerufen werden. Er steht in LTpowerCAD, welches kostenfrei von der Webseite von Analog Devices herunterladbar ist, zur Verfügung. (kr)

* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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