Systementwicklung

Programmierbare Leistungswandler mit PMBus vereinfachen das Stromversorgungsdesign

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Tabelle 1 zeigt einen Teil der Standard-PMBus-Befehle, mit denen der System-Host den Zustand des Leistungswandlers überwachen kann.

Vollständige Liste der PMBus-Standardbefehle

Die vollständige Liste der Standardbefehle erscheint in Teil 2 – Command Language – der PMBus Power System Management Protokollspezifikation. Mit Ausnahme der beiden letzten Codes 0xFE und 0xFF, die das erste Byte eines 2-Byte-Paares von Befehlen mit erweiterter Funktion bilden, sind PMBus-Befehle 1-Byte-Einheiten. Dementsprechend erlaubt das Format 256 Befehle, von denen jeder in eine der folgenden Kategorien unterteilt werden kann: Steuerung, Ausgang, Fehlergrenze, Fehlerverhalten und Zeiteinstellung; Nur-Lesen-Status, Überwachungs- und Identifikationsbefehle; Gruppen- und Anleitungsbefehle sowie bauteil- und herstellerspezifische Befehle.

Die meisten Funktionen sind selbsterklärend

Die Mehrheit der zugrunde liegenden Funktionen innerhalb dieser Gruppen ist selbsterklärend und allgemein anwendbar, z.B. das Einrichten von Ein-/Ausschalt-Verzögerungen und Rampenzeiten, um Power-Rail-Sequenzierung ohne zusätzliche Hardware implementieren zu können. Neben den normalen bauteilspezifischen Funktionen, wie das Anpassen von Kalibrierungsdaten, ermöglicht die letzte dieser Gruppen das Programmieren der Zielhardware mit gerätespezifischen Funktionen. Dazu zählt das Anpassen der PID-Filterkonstanten (Proportional, Integral und Derivativ), die das Dynamikverhalten eines Digitalwandler oder die Totzeit zwischen dem Ansteuern und Synchronisieren der FET-Schaltungen in einem Buck-Wandler steuern, um die Verluste bei sich ändernden Netz- und Lastbedingungen zu minimieren. Bei entsprechender Hardware sind diese Funktion neu und ermöglichen die dynamische Feineinstellung des Antwortverhaltens eines Wandlers, um ihn an seine aktuellen Betriebsbedingungen anzupassen.

Gängige Techniken einfacher implementieren

Auf höherer Steuerungsebene sind gängige Techniken wie die dynamische Regelung der Busspannung, die in analogen Leistungswandlern umfangreiche Hilfselektronik benötigt, einfacher zu implementieren, wenn PMBus-kompatible, digitale Wandler zum Einsatz kommen. Dieses Energiesparschema sorgt für ein intelligentes Senken der Intermediate-Bus-Spannung, sobald die Lastströme relativ gering sind. Dies verringert die Verluste bei der Abwärtswandlung in den zahlreichen Point-of-Load-Reglern, welche die Lastspannungen regulieren. Steigt der Laststrom befiehlt die Supervisory Software dem Intermediate-Bus-Wandler, seine Ausgangsspannung zu erhöhen, um genügend Spielraum für die Point-of-Load-Wandler bereitzustellen.

Dieser Ansatz ist vor allem für Systeme geeignet, die große Lastschwankungen aufweisen, z.B. im Bereich der Netzwerktechnik, wo häufig unterschiedliche Datenverarbeitungsmengen anfallen. Diese Systeme schalten oft ganze Schaltkreisblöcke ab, um Energie einzusparen, wenn die Nachfrage gering ist. Der PMBus vereinfacht damit die Integration einer Leistungsregelung in diese Systeme.

Evaluierungskits vereinfachen das Hardware- und Softwaredesign

Der Nachrichtenaustausch-Mechanismus des PMBus besteht aus einer „start-target-device address-command-data-stop“-Sequenz. Die Zahl der Datenbytes, die jedem Befehl folgt, hängt vom jeweils aktuellen Austausch ab, wobei empfangende Einrichtungen ein Bestätigungssignal für jedes übertragene Byte geltend machen.

Die Sequenz kann optional mit einem PEC-Byte (Packet Error Checking) gestoppt werden (Bild 2).

Spezielle Hardware im Endsystem für den Nachrichtenaustausch

Im Endsystem übernimmt spezielle Hardware die Verantwortung für diesen Austausch, sodass Entwickler eine Art der Kommunikation mit der Protoyping-Hardware und alternative Leistungswandlerkonfigurationen finden können. Ein beliebter Ansatz nutzt einen Windows-PC, der eine grafische Entwicklungsumgebung hostet, die über einen USB-zu-PMBus-kompatiblen Adapter mit einem Evaluierungsboard kommuniziert. Das Evaluierungsboard enthält eine Auswahl PMBus-kompatibler Intermediate-Bus-Wandler und Point-of-Load-Regler, die Entwickler auswählen können, um ihre Zielumgebung möglichst getreu wiederzugeben.

Die grafische Entwicklungsumgebung vereinfacht dabei das Einrichten, wie das Beispiel in Bild 3 zeigt.

Für digitale Intermediate-Bus-Wandler und Point-of-Load-Regler geeignete Beispielumgebung

Diese Beispielumgebung der 3E GUI Gold Edition ist vor allem für Ericssons 3E-Reihe digitaler Intermediate-Bus-Wandler und Point-of-Load-Regler geeignet. Ungewöhnlicherweise eignet sie sich aber auch zur Kommunikation mit jeder PMBus-kompatiblen Einrichtung. Außerdem wird ein PMBus-Transaktionsprotokoll angelegt, das den Nachrichtenaustausch aufzeichnet und analysiert, um eine eventuelle Fehlerbehebung zu beschleunigen.

* * Patrick Le Févre ist Marketing and Communications Director bei Ericsson Power Modules in Stockholm, Schweden

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