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Was digital angesteuerte DC/DC- Wandler besser können

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Digitale Wandler sind anwenderprogrammierbar

Zu den anwenderprogrammierbaren Parametern digitaler Wandler der 3E-Familie zählen: Ausgangsspannungsauswahl, Ein-/Ausschaltverzögerung zur Implementierung von Power Sequencing für Multi-Rail-Lasten, Steuerung der Anstiegsgeschwindigkeit zum Schutz gegen Einschaltstromspitzen und mehrere Schwellenwerte für Warnungen und Fehlerzustände bei Überstrom, Übertemperatur sowie Unter- und Überspannung. Mit der 3E-Reihe lässt sich sogar das Einschwingverhalten der Wandler-Regelschleife für die jeweilige Last und Ausgangskapazitätsbedingungen optimieren (Bild 2).

Verbesserter Wirkungsgrad bei allen Betriebsbedingungen

Analog gesteuerte Wandler sind in der Regel ineffizient, wenn sie mit geringer Last betrieben werden. Die meisten analogen DC/DC-Wandler arbeiten erst ab 15 bis 20% ihrer Nennlast effizient. Der Spitzenwirkungsgrad wird meist bei 50 bis 70% der Ausgangsnennleistung erreicht. Lange Zeit wurde diese Art der Leistungsfähigkeit als akzeptabel angesehen, da die meisten Systeme relative stabile Lasten aufwiesen.

Hoher Wirkungsgrad über großen Lastbereich

Aber in jüngster Zeit haben sich die Betriebscharakteristika der Endsysteme geändert. Heute sind Systeme zunehmend so entwickelt, dass sie so viele Funktionen wie möglich abschalten, um Strom einzusparen, wann immer es möglich ist. Folglich müssen Leistungswandler über einen großen Lastbereich hinweg mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten – auch bei sehr niedrigen Lasten.

Genau hier bringt ein gut entwickelter digitaler Wandler seine Vorteile mit ein. Betrachten wir zwei vergleichbare, 1/4-Brick-Intermediate-Bus-DC/DC-Wandler: Bild 3 zeigt, dass die digitale Variante einen ähnlichen oder besseren Wirkungsgrad als der analoge Wandler bei etwa 10% der Volllast bis hinauf zu 100% der Nennleistung bietet. Der digitale DC/DC-Wandler weist dabei wesentlich weniger Wirkungsgradabweichung über seinen breiten Eingangsspannungsbereich auf.

So lässt sich die Wirkungsgradkurve flach halten

Eine der Methoden, bei einem digitalen DC/DC-Wandler den Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich zu erhöhen und die Wirkungsgradkurve flach zu halten, ist die Totzeit-Optimierung. Zieht man den synchronen Buck-Wandler in Bild 1 heran, ist die Totzeit die Verzögerung, die zwischen dem Ausschalten eines MOSFET-Leistungsschalters und dem Einschalten des anderen Schalters liegt. Diese Verzögerung ist erforderlich, um einen „Shoot-Through“-Zustand zu verhindern, in dem beide (High-Side und Low-Side) MOSFETs gleichzeitig durchschalten, was beide MOSFETs zerstören kann.

Im Hinblick auf die Optimierung des Wirkungsgrades wäre es ideal, keine Totzeit zu haben, da während dieser Verzögerungszeit Strom verschwendet wird. Analoge Wandler weisen allerdings eine feste Totzeit auf, um sicherzustellen, dass der Wandler bei sich ändernden Netz- und Lastbedingungen sicher arbeitet.

Totzeit in Abhängigkeit der Netzbedingungen variieren

Bei digitalen Wandlern kann der Stromversorgungsentwickler die Totzeit in Abhängigkeit der Netzbedingungen variieren. In extremen Betriebsbereichen erhöht sich damit der Wirkungsgrad des Wandlers um einige Prozentpunkte. Ein Halbleiterhersteller hat eine patentierte Technik entwickelt, die eine ähnliche Funktion mit einem analogen Controller-IC bietet. Dennoch kann ein digitaler Wandler diese Art der Totzeit-Optimierung einfacher und flexibler durchführen.

Mehrere Versorgungsspannungen intelligent verwalten

Digitale Wandler erhöhen den Wirkungsgrad auch auf Systemebene. In einem System mit mehreren PMBus-konformen Wandlern kann der Entwickler mehrere Versorgungsspannungsschienen intelligent verwalten, um den Wirkungsgrad je nach Lastbereich des Systems zu optimieren. So kann der Entwickler den Ausgang eines Intermediate-Bus-Wandlers umprogrammieren, dass dieser bei geringer Last eine niedrigere Versorgungsspannung an die POL-Wandler ausgibt, obwohl das System unter Normallast läuft. Damit verbessert sich der Wirkungsgrad der POL-Wandler.

Diese Art der dynamischen Busspannungsanpassung ist vor allem in Systemen von Interesse, die sehr häufig mit unterschiedlichen Lasten betrieben werden. Diese Technik ist mit analogen Wandlern schwierig zu implementieren – mit digitalen Modellen hingegen äußerst einfach.

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