Minimierung des Standby-Stroms von Geräten

Mit dem IoT wird Konnektivität immer wichtiger, da sie die Aufrechterhaltung einer ordnungsgemäßen Kommunikation ermöglicht und als Dadurch wird der Standby-Verbrauch zu einer echten Herausforderung.

Smartphones und Haushaltsgeräte gehören zu den Anwendungen, die sich in den letzten Jahren entwickelt haben. Eine der großen Herausforderungen besteht darin, den Energieverbrauch zu optimieren, da immer mehr Geräte auf den Markt kommen. Mit dem IoT wird Konnektivität immer wichtiger, da sie die Aufrechterhaltung einer ordnungsgemäßen Kommunikation ermöglicht und der Stromverbrauch der Geräte im Standby-Modus zu einer echten Herausforderung wird. Power Integrations hat LinkSwitch-TNZ angekündigt, eine neue Schaltnetzteil-IC-Familie, die den Standby-Verbrauch in Smart-Home-Anwendungen und -Geräten reduziert, um einige dieser Herausforderungen zu lösen.

In einem Interview mit Power Electronics News wies Adnaan Lokhandwala – Senior Product Marketing Manager bei Power Integrations darauf hin, dass heute viele Geräte im Standby-Modus arbeiten und, um verschiedene regulatorische Anforderungen zu erfüllen, neue Lösungen angeboten werden, die Offline-Leistungsumwandlung und verlustfreie Nulldurchgangserkennung kombinieren und optional sind X-Kondensator-Entladefunktionen erforderlich.

„Typische Smart-Home-Produkte sind Schalter und verschiedene Stecker, die ständig mit der Leitung verbunden bleiben. Und natürlich kommunizieren sie auch ständig mit Smartphones. Daher ist der Standby-Stromverbrauch eine der größten Herausforderungen bei diesen Produkten. Studien zeigen, dass eine Reihe von Geräten ständig auf Strom warten, was 10 % des Energieverbrauchs im Haushalt ausmacht und sich tagsüber 80 bis 90 % der Zeit im Standby-Modus befindet, ohne eine Funktion auszuführen. Rauchmelder müssen beispielsweise per Regulierung an die Wechselstromleitung angeschlossen werden, aber der Arbeitszyklus für diesen Rauchmelder ist gering. Auch hinsichtlich des Energieverbrauchs müssen Smart Appliances bestimmte regionale Vorschriften erfüllen, einschließlich des Standby-Verbrauchs. So gibt es in Europa zum Beispiel den EC 1275, der den maximalen Verbrauch für in Europa verkaufte Geräte im ausgeschalteten Zustand oder im Standby-Modus auf 500 Milliwatt begrenzt“, sagt Lokhandwala.

Abbildung 1:LinkSwitch-TNZ-Familie:Leistungsumwandlung fügt Nulldurchgangserkennung und X-Kondensatorentladung hinzu (Quelle:Power Integrations)

Wechsellösungen

Wir müssen uns der Grenzen von Standby bewusst sein, und die Reduzierung von Verlusten zur Steigerung der Effizienz sollte das Mantra für jeden neuen Designprozess sein. Zwei Schlüsselfunktionen, die in diesen Smart Home- und Geräteanwendungen sehr häufig verwendet werden, sind die diskrete AC-Nulldurchgangsschaltung und x - Kondensatorentladung. „Der Wechselstrom-Nulldurchgang wird in mehreren Anwendungen verwendet, um die Leistung, die an Lasten wie LED-Lampen geht, effizient zu steuern. Leider ist der heute verwendete Ansatz sehr verlustbehaftet; es ist eine sehr standardmäßige diskrete Schaltung. Die andere Funktion besteht darin, bei vielen dieser Geräte die Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Und heute wird diese Funktion hauptsächlich durch die Verwendung von Widerständen über diesen Kondensatoren (Bleed-Widerständen) ausgeführt. Wenn Sie nun von Volllast sprechen, sind diese beiden Funktionen möglicherweise nicht sehr verlustbehaftet. Aber wenn man über Standby spricht, kann dies ein wichtiger Faktor für das Standby-Strombudget sein, das Ingenieure bei der Entwicklung dieser Produkte haben“, sagte Lokhandwala.

LinkSwitch-TNZ zielt darauf ab, die Fähigkeit hinzuzufügen, ein verlustfreies Nulldurchgangssignal und eine x-Kondensatorentladung mit demselben Umschalter zu kombinieren. „Die Implementierung ist ein sehr einfacher, nicht isolierter Rückwandler. Das Schöne an diesem Ansatz ist, dass Sie die benötigten Hauptausgangsspannungen mit einem nicht isolierten Ansatz ableiten können. Viele der heutigen Anwendungen – auch im Smart Home – benötigen keine isolierte Stromversorgung, da kein direkter menschlicher Kontakt besteht und die Isolierung tatsächlich vom Gehäuse kommt. Wenn Sie also an intelligente Wandschalter denken, benötigen sie keine Trennung der Stromversorgung. Dadurch können Sie natürlich auch die Verwendung von benutzerdefinierten Transformatoren vermeiden“, sagt Lokhandwala.

Geräte wie Schalter, Dimmer, Sensoren und Stecker verbinden und trennen die Wechselstromleitung regelmäßig mit einem Relais oder TRIAC. „Eine der Herausforderungen beim Anschließen eines Relais ist die richtige Synchronisation beim Ein- und Ausschalten – der Übergang bei all dem ist sehr wichtig. Und dann natürlich den Relaistreiber, der die richtige Leistung liefert“, sagt Lokhandwala.

Eine diskrete Schaltung wird typischerweise verwendet, um den Nulldurchgangspunkt der Wechselstromleitung zu erkennen, um den Einschaltübergang des Hauptleistungsgeräts zu steuern, um Schaltverluste und Einschaltstromstöße zu reduzieren. Die Stückliste dieses Ansatzes ist entschieden unwirtschaftlich.

„Was passiert, ist, dass im Moment des Einschaltens des Relais ein großer Einschaltstrom auftritt, der sehr hoch sein kann. Das gleiche gilt für den Abschaltvorgang, und beide Fälle können sich auf die Lebensdauer des Relais auswirken – und in diesem Fall natürlich auch auf die Lebensdauer des Produkts“, sagt Lokhandwala.

Power Integrations behauptet, dass LinkSwitch-TNZ-ICs durch die Integration der Nulldurchgangs-AC-Leckstromerkennung auf dem Chip einen hervorragenden Wirkungsgrad bei geringer Last bieten, so dass mehrere Systemfunktionen mit Strom versorgt werden können und gleichzeitig strenge Standby-Vorschriften wie der Standard der Europäischen Kommission (EC) eingehalten werden für Haushaltsgeräte (1275), die erfordern, dass die Geräte im Standby- oder Aus-Modus nicht mehr als 0,5 W verbrauchen. Optional kann für Hochleistungsanwendungen auch eine X-Kondensator-Entladefunktion im Paket enthalten sein.

Abbildung 2:Nulldurchgangserkennung liefert logisches Signal, wenn VAC durch 0 V geht. Signal zum Synchronisieren des Einschaltens der Stromversorgung über Relais oder TRIAC. Durch das Schalten bei VAC =0 wird der Einschaltstrom drastisch reduziert (Quelle:Power Integrations)

Abbildung 3:Nulldurchgangserkennung reduziert drastisch den Einschaltstrom in relaisgeschalteten Anwendungen (Quelle:Power Integrations)

„Normalerweise wird der x-Kondensator für Designs mit höherer Leistung verwendet. Ein X-Kondensator ist typischerweise ein Filterkondensator, der aus EMI-Gründen und RFI direkt an die Wechselstromleitung angeschlossen ist, um dieses Rauschen zu minimieren. Wenn also der Leistungspegel höher wird, werden diese x Kondensatoren größer und die Auswirkung von Ableitwiderständen ist viel höher. Normalerweise ist die Kondensatorentladungsfunktion bei Geräten wichtiger“, sagt Lokhandwala.

Das Blockschaltbild in Abbildung 3 zeigt einen traditionellen mechanischen Schalter im Haus, der nun durch intelligentere Geräte ersetzt wird. Es ist ein Draht mit dem Eingang und Ausgang verbunden… im Grunde ist kein Neutralleiter mit dem System verbunden.

Abbildung 4:Unterstützung von nicht neutralen Smart Switches (Quelle:Power Integrations)

Abbildung 5:Reduzieren des Standby-Stroms in Haushaltsgeräten mit aktiver X-Kondensatorentladung (Quelle:Power Integrations)

„In der Vergangenheit war das bei mechanischen Schaltern kein Problem, da man keinen Neutralleiter braucht, da sie keine Elektronik haben. Aber jetzt, wenn Sie diese intelligenten Produkte herstellen, bauen Sie Funktionalität ein, was bedeutet, dass Sie eine ständige Energiequelle benötigen, um diese elektronischen Geräte mit Strom zu versorgen. In einem typischen intelligenten Gerät verfügen Sie also über einen Relaistreiber, eine AC-DC-Stromversorgung und eine diskrete Nulldurchgangsschaltung, die üblicherweise verwendet wird, um sicherzustellen, dass die Verzögerung zum richtigen Zeitpunkt eingeschaltet wird. Und Sie hätten eine drahtlose Konnektivität und einige Sensoren. Ioff ist der Leckstrom bei ausgeschalteter Last, da die Relais den anderen Strompfad verwenden, in der Hoffnung, im Standby-Modus zu leiten. Um sicherzustellen, dass dieser Strom extrem niedrig gehalten wird, müssen Sie das System so optimieren, dass dieser Abschaltstrom niedrig bleibt; wenn der Strom hoch ist, geht beispielsweise die LED-Lampe auf. Dieser Strom kann kommen und den Eingangskondensator aufladen. Als Ergebnis wird die Lampe im Grunde ein- und ausgeschaltet, was Sie nicht möchten. Dieser Effekt wird als LED-Flimmern oder Geisterbild bezeichnet. Mit dem neuen Produkt können wir den Neutralleiter überflüssig machen. Und dies ist bei Häusern und Nachrüstungsanwendungen sehr üblich, da die meisten Häuser in Nordamerika, Europa und Asien noch nie wirklich mit einem Neutralleiter verkabelt wurden. Jetzt müssen Sie also ein intelligentes System entwerfen, das mit den beiden Drähten oder ohne Neutralleiter arbeiten kann. Und wir haben ein komplettes Referenzdesign erstellt, in diesem Fall ein Referenzdesign für einen intelligenten Dimmschalter auf Basis des BLE-Moduls von Nordic“, sagt Lokhandwala.

Die Schaltnetzteil-ICs von LinkSwitch-TNZ ermöglichen eine Regelung von ±3% auf Leitung und Last, haben einen Leerlaufverbrauch von weniger als 30 mW mit externer Vorspannung und einen Standby-Strom von weniger als 100 µA.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite Power . veröffentlicht Elektroniknachrichten.