Embedded PMBus Auch komplexe Stromversorgungssysteme lassen sich einfach realisieren

Autor / Redakteur: Patrick Le Fèvre * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Die Konzeption komplexer Stromversorgungssysteme ist für Entwickler eine echte Herausforderung – die mit dem Embedded PMBus allerdings ihre Schrecken verliert, wie dieser Beitrag zeigt.

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Digitale POLs der 3E-Serie: Mit dem Embedded PMBus vereinfachen sie die Umsetzung komplexer Stromversorgungssysteme
Digitale POLs der 3E-Serie: Mit dem Embedded PMBus vereinfachen sie die Umsetzung komplexer Stromversorgungssysteme
(Bild: Ericsson)

Für Chipentwickler im Bereich neuester ASICs und FPGAs ist der Betrieb kompakter Core-Logik bei sehr niedrigen Spannungen entscheidend, um die Verlustleistung in den Griff zu bekommen. Dabei müssen die I/Os weiterhin über eine reguläre 3,3-VDC-Stromschiene betrieben werden. Auch bei weniger exotischen Bausteinen zeigt sich mittlerweile ein Trend hin zu einer niedrigeren Core-Spannung. Für Entwickler von Stromversorgungen ist dieses vorbestimmte und bauteilabhängige Zuführen und Wegnehmen von Energie ein Mehraufwand, der schnell schwer handhabbar wird. Dies trifft vor allem dann zu, wenn mehrere Bausteine mit verschiedenen Versorgungsprofilen komplexe Beziehungen eingehen.

Ablaufsteuerung verhindert Latch-up-Zustände

Eine Ablaufsteuerung bei Stromschienen verhindert Latch-up-Zustände, die aufkamen, als CMOS-Logik die TTL-Geschwindigkeiten einholte. Typisch war, dass ein Signal weit unterhalb des Chip-Massepotentials lag – hervorgerufen durch schnelle Flanken, die für eine Unterschreitung sorgten und potenziell zerstörerische Fehlerströme auslösten. Das gleiche passiert, wenn Spannung in der falschen Reihenfolge an Mehrschienen-Systeme angelegt wird. Meist benötigt der Core Energie und Zeit zur Stabilisierung, bevor Peripherie und I/Os aktiviert werden – dies ist jedoch nicht immer Fall.

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Es können sich weitere Komplikationen ergeben

Weitere Komplikationen ergeben sich, wenn die Anstiegszeit einer Versorgung begrenzt wird, um einen Spannungsabfall zu mindern und sicherzustellen, dass Bausteine richtig initialisiert werden. So erfordert der Power-on-Reset-Schaltkreis in Microsemis (Actels) SmartFusion2-Architektur, dass VDD in 50 µs, 100 µs, 1 ms oder 100 ms ansteigt. Um eigenständige Aufgaben zu vereinfachen, bieten sich ein grundlegender PMIC (Power-Management IC) und ein paar passive Bauelemente für nahezu jeden Analog-Wandler mit Rückkopplung und Enable-Pins an. Anwendungen auf Systemebene – oder jede Anwendung, die Zukunftssicherheit erfordert – profitiert von der flexiblen Steuerung, die sich heute in digitalen modularen Stromversorgungsmodulen befindet.

Analog-Ablaufsteuerung für einfache Lösungen

Einfache Ablaufsteuerungs-ICs bestehen aus einem Komparator, Verzögerungs- und Treiberstufen. Übersteigt die ansteigende Eingangsschiene einen Schwellenwert, wartet der Chip eine gewisse Zeit, die über einen Kondensator eingestellt wird, bevor der nächste Wandler in der Reihe aktiviert wird. Diese kostengünstige Lösung lässt sich unbegrenzt kaskadieren, aber die fehlende Synchronität sowie Analogbauteile, die über der Temperatur und Zeit driften, beeinträchtigen die Genauigkeit. Es gibt keine Vorgaben für das sequenzielle Deaktivieren von Versorgungen beim Abschalten und jede Änderung erfordert das Austauschen passiver Bauelemente.

Höhere Integration erfordert weitgehend ähnliche PMICs

Eine höhere Integration verlangt weitgehend ähnliche PMICs, die meist vier bis acht Wandler steuern und vielleicht eine Power-Down-Ablaufsteuerung erlauben. Zu den Varianten zählen Bausteine mit integrierten Ladungspumpen, die externe n-Kanal-MOSFETs verbessern. Erfahrene Analog-Entwickler machen daraus eine Anstiegszeit-Steuerung durch die Wahl von MOSFETs mit einer Gate-Ladungscharakteristik, die das Ansteuersignal verlangsamt, um beim Einschalten eine Rampe zu erzeugen.

PMBus-Protokolle revolutionieren die Leistungsregelung

Mixed-Signal-PMICs, die über das PMBus-Protokoll programmierbar sind, bieten mehr Funktionen: Mehrere A/D-Wandler (ADC) messen Spannungen und Ströme; jede Ausgangsspannung wird über einen D/A-Wandler (DAC) überwacht, der einen Rückkopplungsanschluss eines Wandlers ansteuert. Ein programmierbarer Timer verwaltet jeden Enable-Eingang eines Wandlers für die Ablaufsteuerung, und ein Softstart erfolgt über das Hochfahren der DAC-Ausgänge. Internes EEPROM speichert Konfigurationsdaten und kann Parameter während des Betriebs festhalten. Register halten abweichende Grenzwerte fest und tragen damit zur Fehlerüberwachung und Wiederinbetriebnahme bei. Meist lassen sich mehrere PMICs über Hardwareverbindungen synchronisieren.

PMICs ermöglichen Zugriff auf zeitgemäße Systeme

PMICs ermöglichen einfachen Analog-Wandlern den Zugriff auf zeitgemäße Systeme. Dies mag verlockend klingen, ist aber nur in begrenztem Maße möglich, da ein Aufrüsten von In-House-Wandler-Designs eine Änderung des Leiterplatten-Layouts mit sich zieht („die unsichtbare Komponente“) und die Leistungsfähigkeit beeinträchtigt. Liebhaber könnten argumentieren, dass der unausgesprochene „Vorteil“ dabei das Umgehen der digitalen Leistungswandlung ist, die vielen als zu komplex erscheint. Ein DSP-Verständnis ist aber nicht erforderlich, um einen modularen digitalen Wandler zu installieren.

Der Vergleich zur analogen Regelkreistechnik reicht aus. Die Arbeiten im Digitalbereich wurden für Anwender bereits erledigt. Trotzdem ist es möglich, mit wenigen Mausklicks die Parameter für das dynamische Verhalten digitaler Wandler zu ändern. Richtig implementierte digitale Wandler arbeiten sofort als eigenständiger Ersatz von Analogwandlern und bieten einen höheren Wirkungsgrad, mehr Leistungsdichte und eine höhere elektrische Leistungsfähigkeit.

Digitale Wandler eignen sich ideal für den Systemeinsatz, wo Anwendungen vom Data-Logging bis hin zum adaptiven Energiemanagement die Vorteile des PMBus nutzen können. Dieses Power-Management-Protokoll mit offenem Standard wendet eine Befehlssprache auf der SMBus-Hardware an: einen seriellen 2-drahtigen Bus für Anwendungen auf Leiterplattenebene. Zu den optionalen Anschlüssen zählen die SMBALERT# Interrupt-Leitung und ein CONTROL-Signal (Enable).

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