Digitale Power-Controller-IC Spannungen auf der Leiterplatte steuern und überwachen

Autor / Redakteur: David Cooper* / Stefan Liebing

Daten- und Telekommunikationssysteme stellen besondere Ansprüche an das Power-Management auf der Leiterplatte hinsichtlich Verarbeitungsleistung und Zuverlässigkeit. Um eine entsprechende Stromversorgungsarchitektur zu steuern und zu regeln, besitzen beispielsweise konfigurierbare digitale Power-Controller-ICs Eigenschaften, die über das hinausgehen, was analoge Techniken leisten.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Für Stromversorgungsarchitekturen, die auf der Leiterplatte untergebracht sind, hat Potentia Semiconductor, kanadischer Hersteller von Power-Management-Lösungen, eine Design-Umgebung entwickelt, mit der kundenspezifische Power-Management-Strategien für Stromversorgungssysteme geschaffen und validiert werden können. Das Unternehmen produziert zudem konfigurierbare digitale Power-Controller-ICs für Subsysteme.

Diese Power-Management-ICs sind als Komplettlösungen konzipiert, die eine vollständige Interlocked-Einschalt-Reihenfolge (Interlocked-Sequencing), eine präzise Feineinstellung der Spannung (Trimming) sowie einen programmierbaren Schutz gegen Über- und Unterspannungen aufweisen. Sie besitzen eine Standard-I2C-Schnittstelle, über die sich die ICs mittels Software auf Systemebene regeln und überwachen lassen. Interlocked-Sequencing bedeutet hier: Erst wenn eine Spannung U1 vollständig stabil steht, kann das System die nächste, von U1 stammende Spannung U2 ableiten.

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Bild 1 zeigt ein typisches Stromversorgungssystem auf einer Einschubkarte, die mit 48 V gespeist ist. Neben einem galvanisch getrennten DC/DC-Wandler und diversen Point-of-Load-Wandlern (PoL) sind Eingangssicherungen, eine Einschaltstrombegrenzung sowie die Filter gegen elektromagnetische Ein- und Abstrahlungen vorhanden.

Einige der Power-Management-Funktionen – z.B. die Messung von Eingangsspannung und Strom, die Regelung des Einschaltstroms oder das Einstecken der Leiterplatte in das Rückwandverdrahtungssystem – erfolgen auf der Primärseite. Dagegen werden das Sequencing, die Überwachung der Ausgangsspannung und das Trimming auf der Sekundärseite abgewickelt. Auf der Sekundärseite befindet sich zudem die Prozessorschnittstelle, über die sich ein System-Controller direkt anbinden lässt.

In den meisten Anwendungen ist eine galvanische Trennung zwischen der Primär- und Sekundärseite erforderlich, um die Sicherheitsauflagen wie z.B. die Norm IEC60950 zu erfüllen. Daher ist eine galvanisch getrennte Datenschnittstelle nötig, um von der Sekundärseite Zugriff auf die Daten der Primärseite zu erhalten.

Sequencing schafft beste Verarbeitungsleistung

Die meisten komplexen ICs nutzen mehr als eine Spannungsschiene (Rail). Allerdings arbeitet in einem Stromversorgungssystem mit mehreren DC/DC-Wandlern jeder Wandler unabhängig. Selbst identische Wandler können eine unterschiedliche Start-up-Eingangsspannung und Start-up-Zeit aufweisen, sodass die Beziehungen zwischen den Spannungen nicht vorhersehbar sind. Deshalb ist eine einfache Regelung des Sequencings, die sich auf feste Verzögerungszeiten stützt, nicht ausreichend.

Um selbst bei Überlast oder bei einem Fehler den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems zu garantieren, liefert das Interlocked-Sequencing die beste Verarbeitungsleistung – und zwar mit einer separaten Einschalt-(Start-up-) und Abschalt-(Shutdown-)Schwellenspannung für jede Spannungsschiene. Jede Schiene muss ihre vordefinierte Start-up-In-terlock-Spannung erreichen, bevor die Spannung auf der nächsten Spannungsschiene aufgebaut werden kann.

Kommt es zu einem Fehler, schaltet sich das Stromversorgungssystem kontrolliert ab. Während des Shutdowns muss jede Spannungsschiene unter ihre Abschalt-Schwellenspannung gesunken sein, bevor die Abschaltungsprozedur für die nächste Schiene beginnen kann. Bild 2 zeigt das Interlocked-Sequencing mit drei Spannungsschienen und jeweils unterschiedlichen Interlock-Schwellenspannungen und Verzögerungszeiten für jede einzelne Spannungsschiene.

Zwei oder mehr Spannungen während der Einschalt- und Abschaltphase überwachen

In einigen Fällen gilt es zwei oder mehr Spannungen während der Einschalt- und Abschaltphase zu überwachen. Beide Spannungen müssen absolut zeitgleich anliegen, während gleichzeitig die Spannungsdifferenzen minimal sein müssen. Als Lösung bieten diverse Hersteller so genannte Tracking-PoL-Wandler an, das sind PoL-Wandler mit Tracking-Pin. Bild 3 zeigt das Sequencing und Tracking von drei Schienen. Spannungsschiene 1 nutzt die gleiche Interlock-Spannung und die gleiche Einschaltverzögerung wie in Bild 2. Dagegen sind die Spannungsschienen 2 und 3 aufgrund der Tracking-PoL-Wandler in der Einschalt- und Abschaltphase aneinander gekoppelt.

Über die I2C-Schnittstelle kann der System-Controller via Software mit dem Power-Management-System kommunizieren. Dies ergibt folgende Vorteile:

• Monitoring: Der Controller kann die einzelnen Schienenspannungen und -ströme sowie den Status des Stromversorgungssystems in Echtzeit auslesen. So lassen sich Veränderungen entdecken, noch bevor es zu einem Ausfall kommt. Nutzt der Anwender einen Controller für die Primärseite mit einer Datenverbindung zur Sekundärseite lassen sich auch Fehler auf der Primärseite erkennen.

• Trimming: Der Controller kann Schienenspannungen einstellen, um entweder die Genauigkeit zu verbessern oder um ein so genanntes Spannungs-Margining zu implementieren.

• Konfigurierbarkeit: Die Verarbeitungsleistung des Stromversorgungssystems lässt sich während des Design-Prozesses fein abstimmen, indem neue Konfigurationsparameter in den Baustein heruntergeladen werden.

Obwohl viele PoL-Wandler über einen internen Überspannungsschutz mit automatischer Abschaltung verfügen, ist damit dennoch kein Rundum-Schutz für alle Arten von Fehlern verbunden. Zum einen hängt die interne Überspannungserkennung des PoL-Wandlers vom korrekten Betrieb des Steuerungs-ICs innerhalb des PoL-Wandlers ab, zum anderen sind die internen Überspannungsparameter (also die Schwellenspannung, die Überspannung und Verzögerungszeit definiert) festgelegt. Diese Werte sind eventuell nicht in allen Fällen passend dimensioniert.

Um die Spannung zu überwachen, entwickelte der Potentia Semiconductor den digitalen Power-Monitoring-IC PS-2406. Dieser Power-Controller erkennt Fehler und verhindert Shutdowns, die durch Spannungsspitzen (Transienten) verursacht werden. Alle paar Zehntel-Mikrosekunden misst der IC die Spannung auf den Schienen und schaltet ab, wenn die Messwerte wiederholt oberhalb der voreingestellten Schwellenspannung liegen. Sämtliche Spannungsmessungen sind über die I2C-Schnittstelle verfügbar, sodass sich die Ausgangsspannungen in Echtzeit von der Systemsoftware überwachen lassen.

Damit Transienten keinen Shutdown verursachen

Alle PoL-Wandler besitzen eine interne Schaltung, um die Ausgangsspannung zu regeln und den Ausgang auch bei veränderter Eingangsspannung und schwankendem Laststrom konstant zu halten. In anspruchsvollen Anwendungen muss die Spannung oft noch exakter geregelt werden. Der Power-Controller PS-2406 verwendet hierzu einen D/A-Wandler, um eine Spannung zu erzeugen, die am Trim-Pin des PoL-Wandlers angelegt wird. Er lässt sich über die I2C-Schnittstelle steuern, sodass die Systemsoftware die präzise Ausgangsspannung aufrecht erhalten kann.

Die Software fragt dafür die Schienenspannung in regelmäßigen Abständen ab und vergleicht das Ergebnis mit der Nominalspannung. Liegt der gemessene Wert außerhalb seiner Grenzwerte, „verstellt“ die Software den Trim-Ausgang, um die Spannung zu kompensieren. Dies ermöglicht eine automatische Kompensation der ursprünglich vorhandenen Toleranz des Spannungssollwerts im PoL-Wandler. Temperaturbedingte Veränderungen und Langzeitveränderungen lassen sich auf diese Weise ebenfalls ab- und ausgleichen.

Stromversorgungssystem setzt auf zwei ICs

Ferner regelt diese Technik auch das Spannungs-Margin: Wird die Nominalspannung via Software um etwa 5% erhöht oder abgesenkt, korrigiert die Trim-Regelung die Ausgangsspannung auf diesen neuen Pegel. Dieses so genannte Spannungs-Margining fungiert somit als Werkzeug, mit dem sich die Verarbeitungsleistung im Grenzwertbereich ermitteln lässt. Auch lassen sich mit dieser Methode während der Fertigung Einsteckkarten aussortieren, deren Verarbeitungsleistung unter dem Durchschnitt liegt. Alternativ kann das Spannungs-Margining zur Fehlerdiagnose oder als Teil einer regelmäßigen Wartungsroutine eingesetzt werden.

Bild 4 zeigt ein Stromversorgungssystem mit den Power-Management-ICs PS-1006 (ein Primärseiten-Power-Monitor) und PS-2406 (dem Power-Controller für die Sekundärseite). Der Power-Controller ist mit jedem einzelnen PoL-Wandler über seine Enable-, Trim- und Output-Pins verbunden. Sequencing und Shutdown regelt der Baustein, indem er die Enable-Pins entsprechend ansteuert. Für Feinabstimmung und Margining treibt er die Trim-Pins über Trim-Widerstände. Die Ausgangsspannung wird mithilfe eines Spannungsteilers aus jeder Ausgangsspannungsschiene und einem internen 10-Bit-A/D-Wandler erfasst.

Der IC verfügt über eine I2C-Schnittstelle, die ihn zum Prozessor auf der Leiterplatte verbindet. Er ist mit universellen I/O-Pins (GPIOs) ausgestattet, die für Funktionen wie z.B. „Power Good Indication“ (Stromversorgung arbeitet ordnungsgemäß), Interrupt oder Keying verwendet werden können.

Bei dem Baustein lassen sich ferner alle Parameter programmieren. Dazu zählen Parameter wie Spannungsschwellwerte, die Timing-Werte und Margin-Voreinstellungen, aber auch logische Funktionen wie z.B. Start-up-Sequencing oder die Funktionen der universellen GPIOs. Die programmierten Werte werden in einem nicht flüchtigen Speicher abgelegt. Sie legen den Betrieb der State-Machine-Logik (ein „programmiertes Zustandsdiagramm“) innerhalb des ICs fest.

Dagegen regelt der IC PS-1006 den galvanisch getrennten DC/DC-Wandler und begrenzt den Einschaltstrom. Er misst die Eingangsspannung sowie den Eingangsstrom mithilfe eines internen 10-Bit-A/D-Wandlers und überwacht den Status der Eingangssicherungen. Ein Trenn-Übertrager übermittelt alle Statusdaten der Primärseite an den Baustein, sodass sie über die I2C-Schnittstelle ausgelesen werden können.

David Cooper arbeitet als Applications Manager bei Potentia Semiconductor in Ottawa, Ontario, Kanada.

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