Stromversorgung Parameter für Strom-Subsysteme von WiMAX-Applikationen

Redakteur: Sabine Grothe

Weil eine WiMAX-Basisstation ein komplexes Gebilde aus ultraschneller digitaler Signalverarbeitung, Speicher, E/A-Schaltungen und rausch­empfindlichen HF-Transceivern ist, stehen Entwickler von...

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( Archiv: Vogel Business Media )

WiMAX (oder auch 802.16) kommt dort zum Einsatz, wo Wi-Fi (802.11) nicht ausreicht, und ermöglicht mit dem Broadband Wireless Access (BWA) einen Breitband-Zugang mittels Funkverbindung. Während Wi-Fi kurzfristig bei Funkverbindungen für Endteilnehmer die Lücke des noch fehlenden Standbeins zu schließen scheint, steht WiMAX bereits in den Startlöchern, damit kommende Upstream-Verbindungen ebenfalls drahtlos erfolgen können. Das wird die nächste Generation an bandbreitenhungrigen Diensten in städtischen Gebieten überhaupt erst ermöglichen und zudem die Reichweite derartiger Dienste auch auf ländliche Gebiete erweitern. Gleichzeitig wird dies den ständig wachsenden Bedarf an einer drahtlosen Bereitstellung von Streaming-Video-, Sprach- und Datendiensten erfüllen.Weil eine typische WiMAX-Applikation mehrere Niederspannungsversorgungen benötigt einige davon mit beträchtlichem Strombedarf verlangen diese Spannungen besondere Aufmerksamkeit bei der Ein- und Ausschaltreihenfolge und beim Tracking, um eine Überlastung oder Einklinkeffekte der ICs zu vermeiden. Einige Stromschienen wie beispielsweise die Stromversorgung von HF-Transceivern erfordern ein geringeres Rauschen als durchschnittliche Schaltwandler, verbrauchen aber so viel Strom, dass ineffiziente Linearregler unattraktiv werden.Spannung über Tracking und Steuerung kontrollierenFolgesteuerung und Tracking ermöglichen eine präzise Kontrolle darüber, wie Spannungen hoch- und heruntergefahren werden. Ziel ist die Vermeidung von Spannungsunterschieden, die zu einem unerwünschten Stromfluss zwischen jenen Schaltungsteilen führen können, die von unterschiedlichen Spannungsquellen versorgt werden. Derartige Ströme verkürzen die Lebensdauer, beeinträchtigen die Zuverlässigkeit und führen mitunter zu katastrophalen Fehlern.Früher mussten Systementwickler auf zahlreiche Zusatzkomponenten, wie Sequenzcontroller, MOSFETs oder Schottky-Klemmdioden, zurückgreifen, um die gewünschte Folgesteuerung und die Tracking-Anforderungen zu erreichen. Die Zwischenbus-Architektur (Intermediate Bus Architecture, IBA) Z-One Digital IBA des amerikanischen Stromversorgungsherstellers Power-One erlaubt eine präzise Sequenzierung und ein genaues Tracking aller Spannungen, ohne dass weitere Komponenten hinzugefügt werden müssten. Anstiegsraten und -verzögerungen lassen sich einfach über die graphische Z-One-Benutzeroberfläche (GUI) einrichten, die bei der Bauteilserie Z-7000 zum Standard gehört. Das Ein- und Ausschalten aller Ausgänge wird vom gleichen Taktgeber mit digitaler Präzision gesteuert.Zweistufiger AusgangsfilterUm das Rauschen eines Schaltreglers zu verringern, arbeitet der Hersteller mit einem zweistufigen Ausgangsfilter. Dieser bietet gegenüber einem einstufigen Ansatz eine bessere Dämpfung der Schaltfrequenz im Verhältnis zu den Komponentenkosten. Einstufige Filter müssen mit teuren Kondensatoren ergänzt werden, um die Welligkeit zu reduzieren. Beim zweistufigen Ansatz lässt sich die Welligkeit dagegen dadurch verringern, dass man einen relativ preiswerten Luftkern-Induktor hinzufügt. Allerdings erfordert ein zweistufiger Ausgangsfilter oft einen maßgeschneiderten Regelkreis, was nicht immer machbar ist, weil die meisten POL-Regler feste Controller besitzen. Die POLs der Familie Z-One verfügen über einen programmierbaren digitalen Controller mit Selbstausgleich, der über die Benutzer-oberfläche gesetzt werden kann. Das vereinfacht den Einsatz eines zweistufigen Ausgangsfilters.

Jede Stufe des Ausgangsfilters setzt sich aus Induktor und Kondensator zusammenBild 1 vergleicht die Dämpfung des Ausgangsfilters eines einstufigen Filters (grüne Kurve) mit einem zweistufigen Filter (blaue Kurve). Bei einer Schaltfrequenz von 500 kHz zeigt der zweistufige Filter eine Dämpfung, die um 18,6 dB höher ist.Bild 2 die Konfiguration der Ausgangsfilter, wie sie die Z-One-Benutzeroberfläche darstellt. Jede Stufe des Ausgangsfilters besteht aus einem Induktor, gefolgt von einem Kondensator (oder parallelen Kondensatoren).

Die erste Stufe besteht aus Lo, Co und C1, während sich die zweite Stufe aus L1 und C2 zusammensetzt. Die Benutzeroberfläche zeigt das Schaltbild eines zweistufigen Ausgangsfilters. Um einen einstufigen Filter zu erhalten, ist L1 auf einen niedrigen Wert gesetzt (der die Induktivität der Spur repräsentiert), wodurch C1 und C2 quasi pa-rallel geschaltet sind. Weist der Anwender L1 einen höheren Wert zu, wird die Ausgangskondensator-Bank in zwei resonante Abschnitte mit C1 und C2 unterteilt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass insgesamt mehr Kapazität benötigt wird.Die Spannungsrückwirkung erfolgt nach der zweiten Stufe des Ausgangsfilters. Dadurch befinden sich beide Stufen innerhalb des Regelkreises. Ansonsten würde darunter die Übergangsleistung leiden. Mit L1 erhält der Regelkreis einen zusätzlichen Filterpol und damit eine weitere Phasenverzögerung und -resonanz. Deshalb sollte der Regelkreis speziell angepasst werden, um dies handhaben zu können. In der vorliegenden Benutzeroberfläche kann der Anwender die Parameter für den Ausgangsfilter eingeben. Anschließend lässt sich der Regelkreis automatisch über den Selbstausgleich stabilisieren.Nach Anpassung des Selbstausgleichs wird die Schleifenverstärkung des zweistufigen Filters mit den Parametern aus Bild 2 in Bild 3 (EP 17, Printausgabe) dargestellt. Die obere Kurve zeigt die Verstärkung, die untere Kurve die Phase. Die zwei Resonanzspitzen des Filters sind bei etwa 8 und 80 kHz zu sehen, die Bandbreite des Regelkreises mit 15,407 Hz und der Phasenrand von 46° ebenfalls. Ein Phasenrand >45° repräsentiert einen Regelkreis mit guter Stabilität.
Ein Beispiel: Um die Welligkeit direkt zu vergleichen, wurde eine Platine mit zwei POL-Filtern des Tpys ZY7115 mit je 15 A konfiguriert. Um einen zweistufigen Filter abzugeben, weist der eine Filter einen L2-Wert von 100 nH auf. Beim anderen Filter war der L2 kurzgeschlossen, um einen einstufigen Filter zu erhalten. Die Schaltfrequenz-Welligkeit betrug 21,6 mV beim einstufigen, 5,8 mV beim zweistufigen Filter. Der 100-nH-Induktor war aus drei Schichten 18-AWG-Draht mit Luftkern gefertigt bei einem Durchmesser von 20,32 cm.Das Rauschen lässt sich zusätzlich optimieren und reduzieren, indem man Schaltfrequenz und POL-Verschachtelung aufeinander abstimmt. Die spezielle Busarchitektur IBA des Unternehmens ist zudem für die Steuerung und Kontrolle von LDO-Reglern und Lüftern, die mit dem aktuellen Digital Power Manager ZM7300 des Herstellers ausgestattet sind, ausgelegt.Sowohl Modell ZM7100 als auch Variante ZM7300 überwachen die Spannung, Strom und Komponenten-Temperaturen. Fehlermanagement und Fehlerpropagation gehören ebenfalls zum Funktionsumfang.Power-OneTel. +1 805 9878741

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