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).

Ein Schreibschutz-Eingang ist optional, und Ericssons eigenes Design verkleinert die 7-Bit-Standard-Logikadresse auf zwei Leitungen (Bild 1).

Gemeinsame und bausteinspezifische Befehlen

Die PMBus-Befehlssprache besteht aus gemeinsamen und bausteinspezifischen Befehlen, die ein hohes Maß an Steuerung ermöglichen, sobald entsprechende Bausteine verwendet werden. Die Protokolle geben vor, dass kompatible Bausteine ohne Host-Überwachung hochgefahren und betrieben werden können. Eine Set-&-Forget-Einrichtung erlaubt die Programmierung mit Konfigurationsdaten, die auf unbestimmte Zeit oder bis zur erneuten Programmierung erhalten bleiben. Logistisch ergeben sich ebenfalls Vorteile: ähnlich wie bei PLDs lässt sich ein digitaler Wandler programmieren – und zwar an vielen Punkten vor und während der Endmontage eines Systems, sowie dynamisch innerhalb des Zielsystems. Die PMBus v2.0 Spezifikation ist kostenlos erhältlich unter: www.pmbus.org.

Digitale Wandler vereinfachen die Ablaufsteuerung

Die Ablaufsteuerung von Stromschienen verfügt in der PMBus-Befehlssprache über ihren eigenen Bereich. Die Tabelle zeigt vier Standardbefehle zusammen mit einem Power-Good-Signal-Befehl, der spezifisch für Ericssons 3E-Serie digitaler POLs ist.

POLs unterstützen vier Ablaufsteuerungsmodi

Die POLs unterstützen vier Ablaufsteuerungsmodi, die alle Anwendungsszenarien abdecken. Eine zeitbasierte Ablaufsteuerung ist einfach: dabei werden die Control-Pins aller Wandler einer Gruppe mit dem Enable-Signal verbunden. Wird das Enable-Signal aktiviert, verringert jeder Wandler eine voreingestellte Verzögerung, bevor sein Ausgang hochfährt. Die Summe der Verzögerungs- und Anstiegszeiten legt die Position des Wandlers innerhalb der Gruppe fest. Bei allen Produkten der 3E-Serie ist eine Power-Down-Ablaufsteuerung möglich, die andere Werte als beim Hochfahren verwenden kann. Die Timing-Genauigkeit hängt von den einzelnen Wandlern ab, beträgt aber in den meisten Anwendungen mit ±0,25% einen vernachlässigbaren kleinen Fehler.

Ereignisbasierte Ablaufsteuerung

Eine ereignisbasierte Ablaufsteuerung verbindet das Power-Good-Ausgangssignal eines Wandlers mit dem Control-Eingang des nächsten Wandlers innerhalb der Sequenz. Damit startet der Ausgang einer Stromschiene die nachfolgende Einschaltverzögerung. Beim Abschalten kehrt sich die Reihenfolge um. Eine Variante ersetzt den Global Communications Bus (GCB), der sich in Ericssons zweiter Generation digitaler POLs findet und die Power-Good-Signale bereitstellt, mit dem PMBus-Sequenzbefehl. Dieser konfiguriert die Reihenfolge der Wandler innerhalb der Gruppe. Der GCB ist ein eindrahtiger serieller Bus, der die digitalen Wandler zu kompatiblen Baugruppen verbindet, um Funktionen wie Fehler- und Phasenstreuung zu unterstützen, die durch eine genaue Synchronisation profitieren. Dies erhöht die Flexibilität der Anwendung, indem verdrahtete Verbindungen durch Softwarebefehle ersetzt werden.

Digitaler Workflow vereinfacht komplexe Anwendungen

Ausgangsspannungs-Tracking ist die vierte Methode. Hier wird der Spannungsausgang eines „Tracking-Master“-Wandlers mit einem analogen Eingangs-Pin eines oder mehrerer „Tracking Slaves“ verbunden, um als Referenz zu dienen. Die Slaves ahmen die Einschaltverzögerung und Anstiegsrate des Masters nach. Je nach Konfiguration wird damit ein robuster Betrieb gewährleistet, wenn z.B. der Master seinen Power-Good-Schwellenwert nicht erreicht.

Umfangreiches Hardware- und Software-Angebot

Wie andere digitale Baugruppen profitieren auch die Wandler der 3E-Serie vom umfangreichen Angebot an Evaluierungs-Hardware und -Software. Damit sind die Funktionen dieser Wandler sofort zugänglich. Ein Evaluierungsboard enthält zum Beispiel zwei Intermediate-Bus-Wandler und kann direkt mit einem Board verbunden werden, das eine Auswahl an POLs enthält, um ein Mini-System zu erstellen.

Verbindung zwischen PMBus-Hardware und Power Designer Software Suite

Ein Adapter verbindet die PMBus-Hardware mit der Power Designer Software Suite auf dem PC. Anwender können sich so mit dem PMBus, dem komplexen Systemdesign und der Entwicklung vertraut machen. Die Hardware ist robust für hohe Ströme, und die Tools decken vom PMBus-Tracing bis zum Erstellen von Konfigurationsdateien alles ab, was die umfangreichen Steuerungsmöglichkeiten der Software ergänzt. Bild 2 zeigt eine Ansicht der grafischen Schnittstelle, mit einem Beispiel einer GCB-basierten Ablaufsteuerung. Dabei ist die Stromschiene „MCU_3.3V“ so konfiguriert, dass sie zuerst aktiviert wird und nach einer Verzögerung von 10 ms die niedrigeren Spannungen folgen.

Weitere Informationen stehen kostenlos online

* Patrick Le Fèvre ist Marketing and Communication Director bei Ericsson Power Modules in Stockholm.

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