Digital Power Grundlagen digital geregelter Stromversorgungen und deren Vorteile in industriellen Anwendungen

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

Digital geregelte Stromversorgungen sind auf dem Vormarsch. Während Digital Power für Anwendungen wie USV, Computer oder mobile Applikationen nichts Neues ist, dauert es bei anderen, z.B. leiterplattenmontierten Produkten, noch einige Zeit, bis die Technologie dort eingesetzt wird.

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Digital geregelte Stromversorgungen erobern immer mehr Anwendungen
Digital geregelte Stromversorgungen erobern immer mehr Anwendungen
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Anfänge digital geregelter Stromversorgungen reichen auf Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten bis in die Mitte der 70er-Jahre zurück. Trey Burns, N.R. Miller und andere waren die Pioniere auf diesem Gebiet. Digital Power nahm gerade einen Platz in der Stromversorgungsindustrie ein und erreichte einen Reifegrad, bei dem Entwickler den Einsatz der Technologie erwägten.

Von der linearen zur getakteten Stromversorgung

Zu dieser Zeit fand auch der Übergang von linearen zu Schaltstromversorgungen statt. Trey Burns erforschte das State-Trajectory-Control-Gesetz bei DC/DC-Aufwärtswandlern und verglich zwei Realisierungsarten: mit einem Digitalprozessor oder mit Analogschaltkreisen.

Die Ergebnisse wurden auf verschiedenen Konferenzen vorgestellt. Die PESC 1977 wird aber als Ursprung der Entwicklungsarbeit in Sachen digitaler Ansteuerung und Überwachung von DC/DC-Wandlern angesehen (Entwickler der Bell Labs, Norman Richards Miller präsentierte einen Ansatz zur digitalen Steuerung eines Schaltreglers; Victor B. Boros eine serielle digitale Implementierung von Rückkopplungskreisen für Power-Conditioning-Einrichtungen).

Boostwandler mit Minicomputer als Controller

Interessant zu dieser Zeit war, dass ein experimentelles Produkt von Trey Burns, ein Boost-Wandler, mit einer Schaltfrequenz von 100 Hz arbeitete. Das kling heute zwar langsam, damals aber war dies notwendig, da es bis zu 450 μs dauerte, das digitale Programm pro Sample auszuführen. Der Digitalcontroller war ein Minicomputer PDP-11/45.

Der Boost-Wandler wurde mit einer sehr großen und schweren Cut-C-Core-Induktivität von 10 mH und einer Kapazität von etwa 13.000 μF aufgebaut. Das Forschungsteam rollte den Schaltkreis auf einem Fuhrwerk zum Computer. Aus der Keynote von Victor Boros zur PESC 1977 stammt das Zitat: „Heute sind digitale Controller wirtschaftlich und technisch machbar. Die Steuerungsfunktion ist nicht komplizierter wie die Schaltkreise, die sich in Handrechenmaschinen befinden, und die Kosten sind vergleichbar einer LSI-Schaltkreisverkleinerung.“

Die Mitte der 70er Jahre fortschrittlichsten Mikroprozessoren waren 8-Bit-Bausteine wie der 8080 von Intel (Archiv: Vogel Business Media)

Obwohl heute fast überall Digitaltechnik anzutreffen ist, sollten wir uns an Trey Burns erinnern, der einen PDP-11/45 zur Steuerung und Simulation seines Modells verwendete. Die damals fortschrittlichsten Mikroprozessoren waren 8-Bit-Bausteine wie der 8080 von Intel, entwickelt von Federico Faggin (Bild 1).

Mikroprozessoren beschleunigen die Entwicklung digitaler Stromversorgungen

Die schnelle Entwicklung der Mikroprozessoren hat die Forschung in Sachen digitaler Stromversorgung und -regelung voran getrieben. Seit der PESC 1977 wurden jährlich neue Vorträge auf verschiedenen Konferenzen präsentiert, die das wachsende Interesse der Forschungsgemeinde an Digitaltechnik für Stromversorgungen bekundete. Der Fortschritt war zwar beachtlich, aber erst Mitte der 80er-Jahre konnte man behaupten, dass nach fast zehn Jahren Forschungsarbeit eine kommerzielle Applikation zur Anwendung bereitstand.

Digitaler Regelkreis auf Basis eines TTL-Bausteins der Serie 7400F

Betrachtet man die PESC 1977 als Auslöser der Forschungsarbeit für Digital Power, sind die Jahre 1984 und 1985 der zweite Meilenstein in der Weiterentwicklung digitaler Stromversorgungen. Chris Henze schloss z.B. seine Doktorarbeit an der University of Minnesota unter der Leitung von Ned Mohan ab. Henze veröffentlichte interessante Teile seiner Arbeit auf der PESC 1985 in Toulouse. Darin verwendete er einen Mikroprozessor und schaltete einen nicht isolierten DC/DC-Wandler dieser Zeit bei einer angemessenen Frequenz. In seiner Arbeit beschrieb er Quantisierungsaspekte und den Bedarf des Dithering, um eine geeignete PWM-Auflösung zu erhalten.

Der digitale Regelkreis dieses PESC-Vortrags basierte auf einem TTL-Baustein der Serie 7400 F. Dieser wurde von Hand mit Draht umwickelt zusammengebaut. Der Controller maß 8“ auf jeder Seite. Die Bauteile (meist 14- oder 16-Pin-DIPs) befanden sich allesamt in Sockeln. Das System wurde über einen Quarz-Oszillator mit 20 MHz getaktet.

Früher Übergang von der Forschungsarbeit zu kommerziellen Anwendungen

Nach vielversprechenden Ergebnissen baute Henze eine halbindustrielle Version des Digitalcontrollers, die sämtliche Digitallogik in einem Gate-Array vereinte. Später entstand eine Stromversorgung mit 270 V DC-Eingangsspannung und 5 V Hauptausgangsspannung sowie ±12 V Hilfsspannung für Avionik-Anwendungen.

Henzes Übergang von früher Forschungsarbeit zu kommerziell möglichen Anwendungen ist einer der vielen Vorhaben die gegen Ende der 80er-Jahre und Anfang der 90er-Jahre stattfanden. Zu dieser Zeit interessierten sich immer mehr Entwickler für den Einsatz von Mikroprozessoren in Stromversorgungen.

Die erste digital geregelte USV auf Basis eines DSP

Im Jahr 1990 trug Texas Instruments mit seinem digitalen Signalprozessor (DSP) C2000 zur Entwicklung der ersten, digital geregelten unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) bei.

Die Einführung eines DSPs zur Schalt- und Power-Management-Steuerung einer USV war die erste praktische Anwendung einer digitalen Stromversorgung. Darauf folgten zahlreiche Experimente, die eine Optimierung der digitalen Steuerung von Stromversorgungen zum Ziel hatten. Die Anwendungsmöglichkeiten des DSPs schritten dabei immer weiter voran.

Zur gleichen Zeit, als die USV-Anbieter die Vorteile digital geregelter Stromversorgungen entdeckten, führten auch die Hersteller von Stromversorgungen im Telekommunikationsbereich (z.B. Ericsson Energy Systems) Leistungsmerkmale auf der Basis serieller Kommunikationsbusse ein (z.B. I2C von Philips). Damit konnten Betreiber die Leistung vor Ort überwachen und regeln.

Mit geeigneten Controllern schneller von Analog zu Digital

Seit der PESC 1977 sind Jahre vergangen, und mit der Jahrtausendwende erreichte Digital Power einen neuen Meilenstein. Die Grundlagenforschung der Pioniere und die schnelle Entwicklung neuer Prozessoren (z.B. dedizierte DSPs für Power-Management und Steuerung) gaben den Entwicklern von Stromversorgungen Zugriff auf geeignete Controller und Topologien, mit denen sich die Migration von Analog zu Digital vereinfachte.

Gemeinsame Suche nach Digital-Power-Management-Lösungen für Highend-Anwendungen

Zu dieser Zeit realisierte die Computer-Industrie, dass die von leistungshungrigen Prozessoren erforderliche Energie nicht mehr länger ohne neue Leistungsverteilungslösungen zu managen sei. Der Übergang zu Core-Subsystemen fand statt.

Als Antwort auf diese Belange gründeten Intersil und Primarion im Oktober 2001 die Digital Power Management Alliance, um gemeinsam mit der Computer-Industrie Digital-Power-Management-Lösungen für Highend-Desktop-PCs, Server und Notebooks zu entwickeln.

(Archiv: Vogel Business Media)

Diese Allianz markierte den Beginn einer neuen Ära von Innovationen (über die Jahre 2000 bis 2004), deren Beschreibung den Rahmen dieses Beitrags sprengen würde. Wir konzentrieren uns auf die wichtigeren Ereignisse, die zur Digital-Power-Migration von der Forschung in echte Anwendungen führte (Tabelle 1).

Mangelnde Standardisierung und viele Kommunikationsprotokolle machen Technologie zu komplex

Seit der Jahrtausendwende wurde die Anzahl an Vorträgen, die auf verschiedenen Konferenzen die Vorzüge der digitalen Stromversorgung aufführten, immer größer. Im Jahr 2006 präsentierte dann auch Ericsson Power Modules seine Ergebnisse, die in Forschungsarbeiten im eigenen Labor erzielt wurden und Stromversorgungslösungen von morgen beschreiben. Sie tragen dazu bei, den Energieverbrauch weiter zu senken (Tabelle 2).

(Archiv: Vogel Business Media)

Auf der Bauteilebene kündigten die Halbleiterhersteller Produkte an, die eine Digital-Power-Entwicklung so einfach machen würden, wie es in der Analogtechnik der Fall wäre. Einige fertige Produkte für Endanwender kamen auf den Markt.

Leider führten die mangelnde Standardisierung und die Vielzahl unterschiedlicher Kommunikationsprotokolle dazu, dass die Technologie viel zu komplex wurde.

Das Beispiel Bluetooth zeigt, dass unternehmensübergreifende Zusammenarbeit funktionieren kann

Wie in anderen Industrien erzeugt die Entwicklung einer neuen Technologie neue Anforderungen hinsichtlich Machart und Standardisierung.

Eine neue Technologie, die sich im letzten Jahrzehnt entwickelte, ist z.B. der Kurzstreckenfunk Bluetooth. Diese Technik hat sich innerhalb von zehn Jahren vom Labor-/Forschungsstadium in einen kommerziellen Erfolg gewandelt.

Alles begann im Jahr 1994, als Mobiltelefonhersteller eine Untersuchung durchführten, ob eine Strom sparende, kostengünstige Funk-Schnittstelle zwischen einem Mobiltelefon und dem dazugehörigen Zubehör machbar ist. Im Februar 1998 bildeten Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba und Intel eine Special Interest Group (SIG). Zehn Jahre später befinden sich 1,5 Mrd. Bluetooth-Einrichtungen weltweit in Betrieb.

Bluetooth ist ein Beispiel einer neuen Technologie, die aus dem Willen marktführender Unternehmen heraus entstand, ihr Wissen zu teilen und neue Lösungen zu entwickeln, die das Leben einfacher und effizienter machen.

Bluetooth kann als ungewöhnliches Beispiel angesehen werden, da es beweist, dass bei der Zusammenarbeit unterschiedlicher Unternehmen effiziente und neue Arbeitswege beschritten und neue interoperable Technologien mit einem Standard am Markt eingeführt werden können.

Suche nach einem effizienten Kommunikationsprotokoll für digital geregelte Stromversorgungen

Die neuen Möglichkeiten und Vereinfachungen, die mit der Einführung digital geregelter Stromversorgungen einhergehen, enthüllten das Fehlen eines effizienten Kommunikationsprotokolls, das speziell für diesen neuen Bereich in der Stromversorgungsindustrie erforderlich war.

Philips entwickelte Anfang er 80er-Jahre den Inter-IC-BUS (I2C), der zusammen mit dem SMBus, RS-232-, RS-485-, SPI-Bus, CAN-Bus und vielen anderen proprietären Protokollen und Formaten vorlag.

Bei diesem Überangebot an Standards und Protokollen begannen Bauteilhersteller, führende Anbieter von Stromversorgungen und Endanwender darüber nachzudenken, wie man einen gemeinsamen Standard und eine gemeinsame Vorgehensweise entwickeln könnte, um diese neue Technologie zu unterstützen.

Der PMBus als Resultat der Zusammenarbeit einer ganzen Reihe von Unternehmen

Wie bei der Bluetooth-Technik bildeten Artesyn Technologies, Astec Power und eine Reihe von Halbleiterherstellern (Texas Instruments, Volterra Semiconductors, Microchip Technology, Summit Microelectronics und Zilker Labs) im Mai 2004 eine Vereinigung mit dem Ziel, einen offenen Kommunikationsstandard inkl. Protokoll für Stromversorgungssysteme zu entwickeln:

Artesyn Technologies, Astec Power und eine Reihe von Halbleiterherstellern bildeten 2004 eine Vereinigung mit dem Ziel, einen offenen Kommunikationsstandard inkl. Protokoll für Stromversorgungssysteme zu entwickeln: der PMBus wurde geboren (Archiv: Vogel Business Media)

der PMBus wurde geboren (Bild 2).

Gegen Ende 2007 bestand das PMBus Implementers Forum (PMBus-IF) aus mehr als 30 Mitgliedern, die sich in Sachen PMBus gegenseitig unterstützen und dessen Einsatz beim Endanwender forcieren.

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Digitaler Fortschritt dank des offenen Kommunikationsstandards

Seit 2004 stellen Unternehmen parallel zur Entwicklung des PMBus neue Produkte und Lösungen vor, welche die Weiterentwicklung von Analog zu Digital vorantreiben (Tabelle 3).

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Gerätehersteller verraten meist nicht allzu viele Neuigkeiten, aber eine Reihe kommerzieller Anwendungen basiert bereits auf digitaler Steuerung und digitalem Power Management. Die Vorteile sind offensichtlich: neben der Möglichkeit, die Energieverteilung durch komplexe Systeme genau zu steuern, lässt sich die On-Board-Stromversorgungslösung während der Entwicklungsphase über eine grafische Benutzeroberfläche genau profilieren. Damit verkürzt sich die Markteinführungsdauer erheblich.

Die Vorteile digital geregelter Stromversorgungen am Beispiel einer Funk-Basisstation

Die meisten Anwendungen der Information- und Kommunikationstechnik (Information and Communication Technology — ICT) könnten heute von Digital Power profitieren, wie das Beispiel einer Funk-Basisstation zeigt, bei der die digitale Stromversorgung eine wichtige Rolle in ihrer zukünftigen Weiterentwicklung speilt.

Die Leistungsaufnahme einer Mobilfunk-Basisstation hängt vor allem vom Gesprächs-/Nutzungsaufkommen (Traffic) ab. Die Kombination von Traffic- mit intelligentem Power-Management ermöglich es, nur den jeweils erforderlichen Teil des Systems mit Leistung zu versorgen, während der Rest bei Nichtnutzung im Standby-Betrieb verharrt. Nimmt das Nutzungsaufkommen zu, ist der Traffic-Management-Controller imstande, zusätzliche Leistung bzw. Funktionen zu aktivieren.

So kann das Traffic-Management beispielsweise die Zahl der sich in Betrieb befindlichen Leistungsverstärker steuern und je nach Traffic-Aufkommen entscheiden, diese ein- bzw. auszuschalten. Auch die Polarisierungsspannung lässt sich für das effizienteste Profil zu einer bestimmten Zeit anpassen.

Digital Power auf PMBus-Basis vereinfacht die Steuerungsaufgaben

Im Schaltschrank lassen sich bestimmte Boards, die verschiedene Funktionen ausüben und nur zu bestimmten Zeiten erforderlich sind, ebenfalls ein- und ausschalten. Auch hier ist eine Anpassung an bestimmte Parameter möglich, ebenso wie eine Überwachung, die es dem Traffic-Management-Controller ermöglicht, den Status in Echtzeit an den verantwortlichen Betreiber zu übermitteln.

Eine Verwaltung des Power-Managements herab bis auf die wenigen für einen Minimalbetrieb notwendigen Komponenten ist ebenso wichtig wie die Verringerung der festen Leistungsaufnahme während des Betriebs. Hier spielt auch die durch Klimaanlagen und Lüftung aufgenommene Energie eine Rolle.

Wird eine Digitalsteuerung inkl. PMBus für einzelne Boards eingeführt, vereinfacht sich die Steuerung der Kühlung und Lüftung; die Betriebsbedingungen lassen sich je nach Traffic optimieren und der Leistungsbedarf lässt sich statistisch festhalten, um die Anforderungen für den nächsten Traffic-Spitzenbedarf zu decken.

Die gleiche Topologie lässt sich auch in andere ICT-Anwendungen einfach implementieren, z.B. in Datenzentren, um somit die Leistungsaufnahme und den CO2-Ausstoß zu verringern.

Effektives Energiemanagement wird mit der Digitaltechnik erst möglicht

Die steigenden Anforderungen der ICT-Industrie hinsichtlich Energieeinsparung und Verringerung des CO2-Ausstoßes nehmen die Stromversorgungshersteller sehr ernst und tragen in mehreren Projekten dazu bei, diesen Umwelteinfluss zu verringern.

Die Entwicklung effizienter Leistungswandlersysteme und ein aktives Energie-Management, das erst durch Digitaltechnik ermöglicht wird, ist der sicherste Weg, die schnelle Weiterentwicklung kommerzieller Digital-Power-Lösungen zu forcieren.

*Patrick Le Fèvre ist Marketing Director bei Ericsson Power Modules in Stockholm, Schweden.

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