Systementwicklung Programmierbare Leistungswandler mit PMBus vereinfachen das Stromversorgungsdesign

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

Dank digital gesteuerter Spannungswandler mit Power-Management-Subsystemen und PMBus-Kommunikation wird die Entwicklung anspruchsvoller Stromversorgungen immer einfacher.

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Digital geregelte Leistungswandler, die ein Power-Management-Subsystem und PMBus-Kommunikation bieten, vereinfachen die Bereitstellung von Hardware, mit der sich die Anforderungen verteilter Stromversorgungsarchitekturen erfüllen lassen. Die Möglichkeit, den Status einer Versorgungsdomäne zu überwachen und in Echtzeit genau zu regeln, bildet die Grundlage für Energiesparmaßnahmen, die vor allem für Systeme mit großen Lastschwankungen von Interesse sind. Dazu zählt unter anderem der Bereich Daten- und Telekommunikation. Ein PC-kompatibles Paket mit grafischer Benutzeroberfläche vereinfacht die Softwareentwicklung und befreit den Nutzer vom Experimentieren mit alternativen Leistungswandler-Konfigurationen.

Der PMBus als einfache, robuste und flexible Plattform

Mit seiner kostengünstigen physikalischen SMBus-Hardwareebene und einem Standard-Kommunikationsbefehlssatz, der speziell den Bereich der Leistungswandlung abdeckt, bietet der PMBus eine einfache, robuste und flexible Plattform, die mit jeder kompatiblen Versorgungssystemkomponente kommuniziert – vom AC/DC-Frontend bis hin zu drehzahlgeregelten Lüftern.

Während viele herkömmliche Komponenten nur rudimentäre Statusinformationen bereitstellen können, erfordert die Nutzung aller Möglichkeiten des PMBus zusätzlich Intermediate-Bus- und Point-of-Load-Wandler. Diese liefern Lastströme für die typische IBA (Intermediate-Bus-Architektur), um umfangreiche Mess- und Regelungs-Subsysteme mit einzuführen.

Leistungswandler mit zusätzlichen Hardwareelementen

Heutige digital geregelte Leistungswandler basieren meist auf Mixed-Signal-Halbleiterprozessen und enthalten diese zusätzlichen Hardwareelemente zusammen mit dem Core-PWM-Controller zu vernachlässigbaren zusätzlichen Kosten. Systementwickler können damit fortschrittliche Hardware äußerst einfach entwickeln – die größte Herausforderung dabei ist die Überwachungs- und Steuerungssoftware, mit der sich die Systemzuverlässigkeit und Energieeffizienz maximieren lässt. Solche Systeme erfordern die Möglichkeit, die Leistungswandler während des Betriebs (on-the-fly) neu zu konfigurieren.

Für moderate Anwendungen verlangt der PMBus allerdings einen Set-&-Forget-Modus, in dem sich der Wandler wie jedes andere programmierbare Bauteil verhält. Damit kann z.B. in einem Programmierschritt der nichtflüchtige Speicher mit anwenderseitig definierten Parametern beschrieben werden, z.B. mit der Ausgangsspannung und mit Stromgrenzwerten – und das zusätzlich zu allen Stromschienen-Sequenzierungsverzögerungen, wie sie von Multi-Rail-Logikbausteinen gefordert werden.

Bidirektionale Kommunikation zwischen Bus-Master und Slave

Praktikabilität und Einfachheit sind entscheidend für den Erfolg des PMBus. Laut V2 der SMBus-Spezifikation besteht der Bus aus den Takt- und Datenleitungen SMBCLK und SMBDAT, die eine bidirektionale Kommunikation zwischen einem Bus-Master (der den Datentransfer initiiert) und dem Slave ermöglichen. Der Slave reagiert, wenn er seine einzigartige 7-Bit-Adresse erkennt. Der PMBus fügt zwei Signalleitungen hinzu, deren Nutzung optional ist: SMBALERT#, eine Interrupt-Leitung, die den System-Host darüber informiert, dass eine Einrichtung einen Dienst benötigt; und die CONTROL-Leitung, die Einrichtungen in Verbindung mit PMBus-Befehlen ein- und ausschaltet.

Meist auf eine einzelne Platine beschränkte Verbindung

Elektrisch ähnlich zu I2C ist eine PMBus-Verbindung meist auf eine einzelne Platine beschränkt. Wahlweise kann mit anderen Boards über den Backplane-Systembus kommuniziert werden, bei dem der Systementwickler die Netzwerktechnik frei wählen kann.

Bild 1 zeigt den Aufbau eines Rack-Mount-Boards in einer typischen IBA-Umgebung, wo die Power-Manager-Logik der Platine meist eine physikalische Brücke zwischen der integrierten PMBus-Verbindung und dem Systembus der Backplane bildet.

System-Host, der Primärknoten auf dem Systembus

Der System-Host, der die Gesamtversorgung regelt und Verwaltungsaufgaben übernimmt, ist der Primärknoten auf dem Systembus. Der Host kann ein Embedded-System und/oder eine externe Einrichtung wie ein PC sein, der mit dem lokalen Unternehmensnetzwerk verbunden ist. Je nach dem Grad der Autonomie, die der Entwickler für einzelne Boards erwägt, kann der Board Power Manager aus einer einfachen Brücke bestehen, die aus übriggebliebenen Gattern eines FPGAs erstellt wird, oder aus einem Mikrocontroller mit integrierter Protokollumwandlung.

Standard-Befehlssprache vereinfacht die Programmierung

Die Erfahrung mit langjährigen Kommunikationsprotokollen wie IEEE-488.2 für die Test- und Messtechnik und dem SCPI (Standard Commands for Programmable Instrumentation) zeigt, dass eine gut entwickelte Standard-Befehlssprache großen Einfluss auf Entwickler ausübt, die ihre Projekte einfacher, sicherer und zukunftserprobt gestalten wollen. Auch hier kommt es auf die Einfachheit an, ohne dabei die Flexibilität zu beeinträchtigen.

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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