Stromversorgung für das IoT: Wie die nächste Generation von externen Netzteilen dazu beiträgt, den Energieverbrauch zu minimieren

Angesichts der Milliarden von „Dingen“ die demnächst per Internet miteinander verbunden werden sollen, ist die Energieeinsparung von entscheidender Bedeutung – und zwar nicht nur in energieautarken oder batteriebetriebenen Sensoren, sondern auch in Geräten wie Gateways, die typischerweise per Wechselstromleitung versorgt werden. Dieser Artikel beschreibt die neuen Level-VI-Spezifikationen für externe AC/DC-Netzteile und die erforderlichen Designänderungen, um die neuen Normen einzuhalten und den Gesamtstromverbrauch von IoT-Anwendungen zu senken.

Einführung: Die Kraft, die hinter den Sensoren steckt

Mit dem Begriff „Internet der Dinge“ assoziieren wir Bilder von allumfassenden Netzwerken aus winzigen Sensoren, die in der Lage sind, sämtliche Bereiche zu überwachen: von der Luft- oder Wasserqualität über den Verkehrsfluss oder industrielle Abläufe bis hin zu unserem unmittelbaren Wohnumfeld oder dem Gesundheitszustand unseres Körpers. Unter den Sensoren stellen wir uns zumeist Geräte mit extrem niedrigem Energieverbrauch vor, die ihr ganzes Leben lang von einer winzigen Knopfzelle, einem Solarmodul oder anderen miniaturisierten Energy-Harvesting-Subsystemen mit Strom versorgt werden können. So gesehen liefern diese Geräte einerseits erhebliche betriebliche Vorteile und stellen anderseits hinsichtlich ihres Energiebedarfs nur eine minimale Umweltbelastung dar.

Es wird geschätzt, dass es schon in wenigen Jahren mehr als eine Billion vernetzter Sensoren geben wird, die dem IoT als Augen, Ohren und Fingerspitzen dienen. Allerdings ist es recht unwahrscheinlich, dass sie direkt mit dem Internet verbunden sein werden. Eine WLAN- oder Ethernet-Verbindung ist schlicht zu teuer und energiehungrig, als dass sie in kleine batteriebetriebene oder energieautarke IoT-Endpunkte integriert werden könnte.

In vielen Industrie- oder Heimanwendungen für Sensornetzwerke wird die Verbindung zum Internet typischerweise über ein Hub oder IoT-Gateway hergestellt, das als Brücke zwischen den Sensoren und dem Internet fungiert. Dazu sind in dem Gateway Nicht-IP-Schnittstellen zu den Sensoren implementiert, die Standards wie Bluetooth Smart oder eine Zweidrahtverbindung nutzen; es enthält aber auch einen Ethernet-Port oder eine WLAN-Schnittstelle zur Verbindung mit dem Internet. Das Gateway kann über das Internet Daten von den Sensoren zu einer zentralen Verwaltungsinstanz wie z. B. einem Cloud-Dienst und wieder zurück übertragen. Auch die grundlegende Verarbeitung der Sensordaten erfolgt zumeist bereits lokal im Gateway, bevor die Ergebnisse an die Cloud weitergeleitet werden. Abbildung 1 umreißt die grundlegenden Funktionen eines IoT-Gateways.

Abbildung 1: Ein IoT-Gateway ist erforderlich, um Nicht-IP-Sensoren mit geringem Stromverbrauch mit dem Internet zu verbinden.

Laut Prognosen könnten in den nächsten vier bis fünf Jahren bis zu 50 Milliarden Geräte wie z. B. Gateways an das Internet angeschlossen werden. Der Strom, der benötigt wird, um die vielfältigen Gateway-Funktionen zu verwalten, darunter die zahlreichen Sensorschnittstellen, die Internetverbindung und die eingebettete Datenverarbeitung, setzt voraus, dass das Gerät entweder mit einer Netzstromquelle verbunden wird oder häufig aufgeladen werden muss. Angesichts der enormen Menge solcher Geräte, die wohl in der nächsten Zeit mit dem Internet verbunden werden, könnte es zu einem deutlichen Anstieg des Energiebedarfs kommen – sowohl für die Offline-Stromversorgung als auch beim Ladestrom.

Effizienznormen für Netzteile

Das massive Wachstum bei der Anzahl der mit dem Netz verbundenen elektrischen Geräte ist nichts Neues. Mit den Auswirkungen dieses Wachstums haben sich Wissenschaftler bereits seit Beginn des heutigen Zeitalters der Unterhaltungselektronik intensiv befasst. Seit den 1970er Jahren, als ein typischer Haushalt ein Fernsehgerät und vielleicht noch eine Waschmaschine besaß, ist die durchschnittliche Anzahl von Elektronikprodukten pro US-Haushalt laut Angaben der Consumer Electronics Association auf 24 Geräte angewachsen. Dazu zählen nicht nur mehrere Fernsehgeräte, sondern auch PCs, Tablets, Smartphones, Drucker, Spielkonsolen und andere Geräte, die oft ein internes Netzteil aufweisen oder über einen Adapter mit einem externen Netzteil verbunden sind. Schon in den 1990er Jahren waren allein in den USA mehr als eine Milliarde solcher externen Netzteile in Benutzung.

Abbildung 2: In den frühen 1990er Jahren kamen Studien zu dem Ergebnis, dass die Leistungsaufnahme von externen Netzteilen bei Nulllast innerhalb von 20 Jahren auf 30 % des gesamten US-amerikanischen Energieverbrauchs anwachsen würde, sollten keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden.

Da man weiß, dass Benutzer ihre Geräte tendenziell eher mit dem Netzteil verbunden lassen, selbst wenn sie ausgeschaltet sind, wurde zunehmend vor der „Phantomleistung“ bzw. der Leistungsaufnahme bei „Nulllast“ in Haushalten gewarnt. Eine 1998 von Alan Meier vom Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in Kalifornien durchgeführte Studie ergab, dass in den USA etwa 5 % des gesamten Stromverbrauchs in Wohngebieten – was einem Wert von zirka 3 Milliarden US-Dollar entspricht – durch Netzteile vergeudet werden, während sich die angeschlossenen Geräte im Standby-Modus befinden. Seitdem sind die Energiepreise erheblich gestiegen, und auch die Sorge um die Umweltschäden durch übermäßigen Energieverbrauch ist gewachsen.

Um diese Probleme anzugehen, hat die California Energy Commission im Jahr 2004 die weltweit erste Energieeffizienzvorschrift für externe Netzteile erlassen. Nach und nach folgten die Weltmärkte, darunter alle anderen US-Bundesstaaten, Kanada, Europa und Australien, mit ähnlichen Maßnahmen. Schließlich wurden diese unterschiedlichen Vorschriften im internationalen Protokoll für Effizienzkennzeichnung (International Energy Efficiency Marking Protocol) für externe Netzteile harmonisiert. Im Laufe der Jahre wurde dieses Protokoll ständig weiterentwickelt, wobei immer strengere Grenzwerte für die Leistungsaufnahme bei Nulllast und die minimale durchschnittliche Betriebseffizienz festgelegt wurden. Heute müssen sämtliche in den USA und Kanada verkauften externen Netzteile der Level-VI-Spezifikation dieses Protokolls entsprechen und mit der römischen Zahl VI auf dem Typenschild versehen sein. In der EU wird gerade die strengere Level-V-Spezifikation eingeführt.

Das US-Energieministerium kündigte 2014 an, dass alle nach dem 10. Februar 2016 hergestellten und in den USA verkauften externen Netzteile der noch strengeren Level-VI-Effizienzspezifikation entsprechen müssen. Wie schon in der Vergangenheit ist zu erwarten, dass die EU und andere verantwortliche Behörden ihre Anforderungen in Kürze ebenfalls auf Level VI erhöhen werden, obwohl von diesen Seiten bisher noch keine endgültigen Normen vorgestellt wurden.

Angesichts des zu erwartenden explosionsartigen Wachstums bei IoT-Anwendungen könnte die Level-VI-Spezifikation für externe Netzteile einen wertvollen Beitrag zum Umweltschutz leisten, wenn schon bald riesige Mengen von IoT-Gateways mit dem Stromnetz verbunden werden. Es kommt jetzt darauf an, dass die Original Equipment Manufacturers (OEMs) weltweit mit den aktuellsten Vorschriften Schritt halten.

Designentscheidungen bei der Stromversorgung

Interne Netzteile sind vom internationalen Protokoll für Effizienzkennzeichnung nicht betroffen. Wenn nun in das Design ein internes Netzteil anstelle eines externen Netzteils einbezogen wird, müssen die entsprechenden Vorschriften nicht eingehalten werden. Allerdings gelten hier andere Vorgaben, zum Beispiel die ENERGY STAR®-Einstufungssysteme oder die EU-Richtlinie 2009/125/EC für die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte (ErP). Außerdem kann die eigenständige Entwicklung eines Netzteils oder die Integration eines Drittanbietermoduls außerhalb des Erfahrungsbereichs des Designers liegen. Ein internes Netzteil kann das Produkt auch schwerer und voluminöser machen, wodurch größere Gehäuse erforderlich werden.

Ein im Handel verfügbares externes Netzteil kann eine schnelle und einfache Lösung bieten, die noch dazu den geltenden Vorschriften entspricht. CUI begann Ende 2014 mit der Einführung von Level-VI-Produkten in seine Angebotspalette bei externen Netzteilen, um der bevorstehenden Regulierung gerecht zu werden. Hersteller externer Netzteile richten ihre Produktpaletten üblicherweise so aus, dass sie die strengste verbindliche Norm erfüllen, wodurch OEM-Kunden ihre Betriebseffizienz maximieren und Lieferkettenfehler vermeiden können, indem sie einen einheitlichen Netzteiltyp mit ihren für verschiedene Exportmärkte bestimmten Produkten ausliefern.

Die Level-VI-Spezifikationen

Das Level-VI-Protokoll ist um einiges komplexer als seine Vorgängerversionen. Es sind fünf Kategorien definiert. Diese sind:

• Externe AC/DC-Netzteile mit Einfachspannung (Basisspannung)
• Externe AC/AC-Netzteile mit Einfachspannung (Basisspannung)
• Externe AC/DC-Netzteile mit Einfachspannung (Niederspannung)
• Externe AC/AC-Netzteile mit Einfachspannung (Niederspannung)
• Externe Netzteile mit Mehrfachspannung bis zu 49 W

Hinweis: Niederspannungsnetzteile liefern eine Ausgangsspannung unter 6 V und einen Ausgangsstrom über 550 mA. Der Begriff „Basisspannung“ bezieht sich auf alle Netzteile, die keine Niederspannungsnetzteile sind. Zusätzlich wird mit Level VI erstmalig eine Vorschrift für Einzelspannungsnetzteile über 250 W eingeführt.

Verglichen mit der Level-V-Spezifikation für die Standby-Leistung verringert Level VI die zulässige maximale Leistung von 0,3 W (für externe Standardspannungsnetzteile bis 49 W) auf lediglich 0,1 W für Einzelspannungs-AC/DC-Netzteile mit Nennleistungen von 1 W bis 49 W. Die neuen Anforderungen hinsichtlich der Durchschnittseffizienz sind ebenfalls anspruchsvoll. Abbildung 2 veranschaulicht den Anstieg der Durchschnittseffizienz für Basisspannungs-AC/DC-Netzteile nach Level VI im Vergleich zu den Level-III-, Level-IV- und Level-V-Spezifikationen.

Abbildung 3: Die Level-VI-Spezifikation legt höhere Grenzwerte der Durchschnittseffizienz fest als bei Level III bis V.

Level VI durch Design erreichen

Das Designen eines externen Netzteils, das diesen strengeren Normen entspricht, ist eine wirkliche Herausforderung. Verglichen mit den Level-V-Netzteilen von CUI weisen die Level-VI-Einheiten Änderungen bei fast allen Aspekten der primär- und sekundärseitigen Schaltung auf. In das Design wurden die neuesten Steuer-ICs einbezogen, die erweiterte Betriebsmodi bei geringen Lasten ermöglichen: Im Normalbetrieb arbeiten die neuen Controller mit derselben 65-kHz-Schaltfrequenz wie bei den Level-V-Produkten, die jedoch bei geringer Last und Nulllast auf 22 kHz abgesenkt wird, um den Energieverlust zu verringern und die Effizienz zu steigern. Nochmals optimierte Kondensator- und Widerstandswerte in der sekundären Feedback-Schaltung vermindern die Auswirkungen von höherem Rippelstrom und Rauschen bei niedrigeren Schaltfrequenzen. Der Steuer-IC nutzt auch neue Technologien zur Senkung des Ruhestromverbrauchs, was ebenfalls dazu beiträgt, die strengeren Maximalgrenzen beim Stromverbrauch unter Nulllast einzuhalten.

Die sekundärseitige Schaltung in den Niederspannungs-/Hochstrom-Level-VI-Netzteilen wurde von einfacher Diodengleichrichtung zu synchroner Gleichrichtung durch MOSFETs mit einem zusätzlichen Steuer-IC verändert. Außerdem helfen höhere Widerstandswerte und Änderungen an anderen Komponenten, wie z. B. erhöhte Drahtstärken, bei der Senkung der internen Verlustleistung. Darüber hinaus tragen neuere MOSFETs mit geringerem Widerstand im EIN-Zustand zu einer höheren Effizienz bei höheren Lasten bei.

Dagegen ist die Netzstromschaltung zum größten Teil genauso angelegt wie bei den bisherigen Level-V-Einheiten. Einheiten mit einer Nennleistung unter 120 W nutzen das bewährte Flyback-Design von CUI, während in Adaptern über 120 W die LLC-Resonanztopologie zum Einsatz kommt. Es ist zu beachten, dass die höhere Durchschnittseffizienz der Level-VI-Netzteile auch zur Senkung der typischen Betriebstemperatur beiträgt, was die Zuverlässigkeit deutlich steigert. Das kann einen besonders wichtigen Vorteil für IoT-Anwendungen bilden, bei denen die Ausrüstung oftmals über längere Zeiträume und mit geringem oder keinerlei Wartungsaufwand am Einsatzort funktionsfähig sein muss.

Fazit

Das IoT verspricht zahlreiche und weit reichende Vorteile für die Wirtschaft, die Umwelt und unsere Lebensqualität. Andererseits könnte die massive Anzahl der zu erwartenden Geräte zur Bereitstellung enormer Mengen neuer Netzwerk-Hubs und -Gateways führen, die per Wechselstromleitung versorgt werden müssen. Neue externe Netzteile, die dem jüngsten Level-VI-Protokoll zur Effizienzkennzeichnung entsprechen, das ab Februar 2016 in den USA Vorschrift ist, können dazu beitragen, den zu erwartenden höheren Strombedarf zu vermindern, indem sie die Durchschnittseffizienz erhöhen und die Leistungsaufnahme bei Nulllast senken.

Weitere Informationen zur bei Digi-Key erhältlichen Level-VI-Angebotspalette von CUI finden Sie auf der Seite zur Level-VI-Stromversorgung.