Digital Power Was digital angesteuerte DC/DC- Wandler besser können

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Digital angesteuerte DC/DC-Wandler sind analogen Modellen in Sachen Effizienz und Leistungsdichte weit überlegen. Hier erfahren Sie, was Sie über die Vorteile der digitalen Ansteuerung von DC/DC-Wandlern wissen sollten.

Firmen zum Thema

Die Einführung der digitalen Regelung bei leiterplattenmontierten DC/DC-Wandlern ermöglicht eine Leistungsfähigkeit, die weit jenseits der herkömmlicher analoger Leistungswandler liegt. Eine neue Generation digitaler Wandler bietet einen höheren Wirkungsgrad, eine höhere Leistungsdichte und eine Designflexibilität, die Entwicklern früher nicht zugänglich war.

Seit jeher basieren leiterplattenmontierte DC/DC-Wandler auf einer analogen Steuerung, um geregelte Versorgungspannungen bereitzustellen. Der interne Regelkreis eines einfachen Buck-Wandlers verwendet z.B. eine Reihe von Analogfunktionen, um das PWM-Signal zu generieren, das die Leistungsschalter des Wandlers ansteuert. Der analoge PWM-Controller enthält einen Fehlerverstärker, eine Spannungsreferenz, einen Rampengenerator und Komparator (Bild 1 oben).

Mixed-Signal-Technologie zur digitalen DC/DC-Wandler-Regelung

Obwohl dieser analoge Ansatz über Jahre die Norm war, haben Fortschritte in der Mixed-Signal-Halbleitertechnologie die Implementierung der internen Regelschleife mit digitalen Funktionen möglich gemacht. Dieser Ansatz wird allgemein als Digital Power bezeichnet. Bei einem digital geregelten Buck-Wandler wird der Fehlerverstärker durch einen A/D-Wandler ersetzt, und die Spannungsreferenz, der Rampengenerator und Komparator werden durch Logikschaltkrise ersetzt, die eine digitale Signalverarbeitung durchführen, um so das PWM-Signal zu generieren (Bild 1 unten).

Welche Vorteile digitale angesteuerte DC/DC-Wandler bieten

Digital Power für DC/DC-Wandler bietet zahlreiche Vorteile, z.B. können Überwachungs- und Management-Funktionen zusammen mit dem PWM-Controller auf dem gleichen Chip untergebracht werden, anstatt externe Bauteile einzusetzen. Das Einstellen der Ausgangsspannung, Power Sequencing, Voltage Margining und die Fehlerbehandlung werden durch Logikschaltkreise ausgeführt, die sich einfach zum digitalen PWM-Controller hinzufügen lassen.

Dieser Ansatz ermöglicht Funktionen, die sonst mittels Verdrahtung hinzugefügt werden müssen, um über eine Standardschnittstelle programmierbar zu werden. Viele der digitalen PWM-Controller enthalten die SMBus-Schnittstelle, über die sich diese Bausteine mit dem PMBus-Kommunikationsprotokoll ansteuern und konfigurieren lassen.

Ohne externe Bauelemente ist mehr Platz auf der Platine

Durch den Verzicht auf externe Bauteile sorgt diese programmierbare Funktion für mehr Platz auf der Leiterplatte des DC/DC-Wandler, was die Stellfläche verringert, die Zuverlässigkeit erhöht und die Kosten senkt. Die erhöhte Zuverlässigkeit drückt sich u.a. dadurch aus, dass die Digitalwerte, die den Betrieb des Wandlers regeln, über der Zeit und Temperatur nicht driften – im Gegensatz zu Widerständen und Kondensatoren, die zur Konfiguration analoger PWM-Controller verwendet werden.

Die Möglichkeit, einen Leistungswandler digital zu konfigurieren und zu überwachen wird als „Digital Power Management“ bezeichnet. Obwohl die Begriffe „Digital Power Management“ und „Digital Power Control“ meist gleichbedeutend verwendet werden, beziehen sie sich streng genommen auf unterschiedliche aber verwandte Konzepte.

Digital-Power-Management-Funktionen im Controller-Chip

Ein Leistungswandler muss nicht mit einer digitalen Leistungsregelung (d.h. einer digitalen Steuerung des inneren Regelkreises) ausgestattet sein, um ein digital Power-Management zu bieten. Die Entwicklung eines Controllers auf der Basis einer digitalen Leistungsregelung ermöglicht jedoch eine einfachere und vor allem nahtlose Integration von Digital-Power-Management-Funktionen in den Controller-Chip. Anders gesagt: Bei der Implementierung von Digital Power Control ergibt sich automatisch eine Digital-Power-Management-Funktion, da nur vernachlässigbare Chipkosten zum PWM-Controller hinzugefügt werden.

Digital Power erhöht Leistungsfähigkeit und Funktionalität

Digital-Power-Techniken erweitern das Modell der programmierbaren Logik auf den Markt für Leistungswandler. Damit erhöht sich die Funktionalität und Leistungsfähigkeit des Wandlers über der gesamten Produktlebensdauer. Bei der anfänglichen Entwicklung des Leistungswandlers lässt dieser sich vom Entwickler einfach konfigurieren und rekonfigurieren, um die Performance-Vorgaben zu erfüllen. Der Wandler lässt sich während der Fertigung rekonfigurieren, um die Leistungsfähigkeit zu optimieren und die Abweichungen von Gerät zu Gerät zu minimieren. Der Wandler lässt sich beim Distributor erneut rekonfigurieren, um die verschiedenen Kundenanforderungen zu erfüllen. Auch der Kunde kann während der Fertigung seines Endgeräts oder beim Einsatz des Endgeräts im Feld den Wandler rekonfigurieren.

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:26284570)