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.

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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.

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.

Höhere Leistungsdichte als bei Analogwandlern

Eine weitere Anforderung für Wandler in modernen Systemen ist eine hohe Leistungsdichte. Seit digitale Wandler weniger Bauteile enthalten und mit dem gleichen oder einem höheren Wirkungsgrad als analoge Wandler arbeiten, ist die Leistungsdichte digitaler Modelle gleich oder höher als bei vergleichbaren Analogwandlern.

Erhebliche Verbesserungen beim Wirkungsgrad

In einigen Fällen kann die Verbesserung erheblich sein, beispielsweis bei Ericssons 3E-Reihe: Ein Intermediate-Bus-Wandler dieser Familie im 1/4-Brick-Gehäuse liefert eine Ausgangsleistung von 396 W, das sind 5% mehr als bei einem herkömmlichen, lose geregelten analogen Buswandler. Was die Verbesserung um 5% so beeindruckend macht, ist die Tatsache, dass der digitale Wandler die gleiche enge Spannungsregelung (±2%) wie ein voll geregelter analoger DC/DC-Wandler bietet, der nur 204 W bei gleicher Stellfläche bereitstellt.

Digitale Vorteile und einfache Bedienung

Während die Performance-Vorteile digitaler Wandler für sich sprechen, wollen Kunden dafür aber bei der Benutzerfreundlichkeit keine Kompromisse eingehen. Hier wird der Unterschied zwischen Leistungswandler-Design und Anwendung deutlich. Für Entwickler, die es gewohnt sind, analoge Wandler in ihre Anwendungen einzubinden, ist die Kehrseite der digitalen Leistungswandlung ihre Lernkurve.

Einfaches Justieren der Regelschleife

Die Kompensation eines Leistungswandler-Designs soll hier als Beispiel dienen. Halbleiterhersteller stellen Entwicklungstools zur Verfügung, die eine einfache Justierung der Regelschleife eines digitalen Wandlers ermöglichen. Trotz dieser Anstrengungen ist es für Systementwickler (d.h. Entwickler, die keine Stromversorgungen entwickeln) immer noch eine Herausforderung, robuste Firmware für ihre Wandler zu entwickeln. Als Folge würden viele Entwickler gerne den Übergang zu Digital Power vereinfachen, indem sie vorqualifizierte digitale Wandler-Module verwenden, anstatt den Wandler selbst zu entwickeln.

Modulare Stromversorgungen steigern Produktivität

Die Anbieter von Stromversorgungen haben darauf reagiert und bringen Digital-Power-Module auf den Markt. Diese Wandler sind nicht nur bei Systementwicklern beliebt, sie werden auch von hocherfahrenen Stromversorgungsentwicklern geschätzt. Diese Spezialisten erkennen zunehmend, dass sich mithilfe modularer Stromversorgungsprodukte erhebliche Produktivitätssteigerungen ergeben, anstatt eigens entwickelte IC-basierte Lösungen einzusetzen.

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