Digital – die Zukunft des Power-Managements?

| Autor / Redakteur: Bastian Lang * / Thomas Kuther

Digitales Powermanagement: versorgt komplexe Systeme zuverlässig
Digitales Powermanagement: versorgt komplexe Systeme zuverlässig (Bild: Rohm)

Digital Power ist längst nicht mehr nur ein Thema für interessierte Forscher und Formelathleten, sondern sie findet Einzug in verschiedene Endanwendungen in der Industrie. Das Mysterium „Digital Power“ und die Möglichkeiten, die diese Technologie bietet, werden weitestgehend jedoch noch nicht verstanden.

Moderne System-Architekturen, sei es in Tele- und Datenkommunikation, Medizintechnik, Industrieelektronik oder automobilen Anwendungen, fokussieren sich auf maximale Leistungsdichten, höchste Effizienz und Sicherheit (Gewährleistung der Funktion, Ausfallsicherheit und garantierte Erreichbarkeit bei Service-Bedarf). Das Power-Management steht dabei oftmals nicht im Zentrum des Designs, sondern wird zum Schluss hinzugefügt, um die Kernkomponenten im System mit Strom und passender Spannung zu versorgen. Maschinen sind letztendlich auch nur Menschen und funktionieren nicht ohne einen geschlossenen, zuverlässigen und stetigen Blutstrom.

Power-Management – Kernkomponente im Gesamtsystem

Vergleicht man ein modernes technisches System mit dem menschlichen Organismus, kann man die Leistungselektronik getrost als Herz betrachten, das alle notwendigen Systemkomponenten mit Power versorgt. Das menschliche Herz pumpt nicht einfach Blut vor sich hin, sondern reagiert auf äußere Einflüsse und passt sich dynamisch den Gegebenheiten an. Dieses Verhalten gewährleistet optimale Systembereitschaft bei gleichzeitiger Energieeffizienz, sei es während Regenerationsphasen, körperlicher und geistiger Anstrengung oder Gefahrensituationen, wenn das letzte Bisschen aus dem Gesamtsystem herausgeholt wird, um das Überleben zu gewährleisten.

Pumpte das menschliche Herz stetig mit 200 Schlägen pro Minute, würde die Welt aus menschlichen Kolibris bestehen, die nur mit der Nahrungsaufnahme beschäftigt wären, um den Energiebedarf des anstrengenden Kolibri-Daseins zu decken.

Um einen Organismus (oder Maschinen, Systeme) in Einklang zu bringen, ist es zwangsläufig nötig, dass die Kernkomponenten des Systems miteinander kommunizieren und das Gesamtsystem auf die momentanen Anforderungen optimal abgestimmt wird. Nur so lässt sich optimale Effizienz während Ruhephasen und garantierte Funktion in Phasen extremer Anstrengung gewährleisten.

Der Körper greift auf Hormone und auf das Nervensystem zu, um das Gesamtsystem mehr oder weniger gut auf die momentane Situation hin zu optimieren. In der Leistungselektronik verwenden wir stattdessen elektrische Schnittstellen um die Leistungsparameter einzustellen und eine optimale Abstimmung des Systems vorzunehmen.

Intelligente Regelung und optimierte Systemkosten

Der DC/DC-Wandler ist eine der Kernkomponenten, die dafür sorgt, dass die Energie im System verteilt und den Verbrauchern (z.B. Prozessor, FPGA, Speicher…) zur Verfügung gestellt wird. Eine der gebräuchlichsten DC/DC-Wandler ist der Tiefsetzsteller (oder Buck-Converter) (Bild 1 links), der eine Bus-Spannung (typisch sind 48, 24, 12 V, etc.) in eine niedrigere Spannung für die Verbraucher wandelt (typische Spannungen von 3,3, 2,5, 1,8, 1,0 V, etc.). Der rechte Teil von Bild 1 zeigt den Vergleich der Regelschleife bei analogen (oben) und digitalen (unten) DC/DC-Lösungen.

Beim digitalen Ansatz wird die Ausgangsgröße (Vout, Versorgungsspannung des Prozessors, FPGA, Speicher, etc.) über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) in die digitale Domäne gewandelt und dort verarbeitet. Die Stellgröße wird entsprechend verändert und in Form eines veränderten Tastverhältnisses (Duty-Cycles = D) an die MOSFETs im DC/DC-Wandler ausgegeben. So schließt sich der Regelkreis in der digitalen Domäne und stabilisiert die Versorgungsspannung. Dies bietet einige Vorteile im Vergleich zu konventionellen analogen Regelverfahren.

Der Sollwert wie auch die eigentliche Regelalgorithmik kann während der Laufzeit verändert/optimiert werden, um sich im System an die jeweiligen Gegebenheiten anzupassen. Die Bandbreite der Regelschleife während Zeiten konstanter, kontinuierlicher Last sollte nicht zu hoch gewählt werden, um eine ruhige, stabile Ausgangsspannung gewährleisten zu können. Wird die Bandbreite zu hoch gewählt, sieht man mitunter ein nervöses „Zappeln“ auf der Ausgangsspannung.

Wählt man die Bandbreite hingegen zu gering, so ist das Antwortverhalten auf transiente Vorgänge sehr träge, was im Extremfall zu einem Systemabsturz führen kann. Durch intelligente Regelalgorithmik kann die Bandbreite des Regelkreises während der Laufzeit so variiert werden, dass während Zeiten konstanter Last die Regelschleife stabil und ruhig läuft, transiente Vorgänge hingegen optimal abgefangen werden können.

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