Powermanagement-ICs Energie einsparen leicht gemacht

Die Macht der Programmierbarkeit

Programmierbarkeit ist ein zentrales Element moderner Regelungssysteme, und Powermanagement ist da keine Ausnahme. Denn die Antwort auf die Nachfrage nach steigendem Wirkungsgrad ist eine höhere Komplexität, verbunden mit einer höheren Konfigurierbarkeit. Smartes Powermanagement wird in allen Applikationen zu finden sein und Bauteile, die diese Voraussetzungen erfüllen, tauchen in rauen Mengen auf.

Ein Beispiel für PMCs (Power Management Controller), die mehr Konfigurierbarkeit integrieren, sind die Mitglieder der »STNRG«-Familie von STMicroelectronics. Dazu gehört der »STNRG328A«, der eine »State Machine Event Driven« (SMED) aufweist (Bild 3). Damit kann ein IC sechs unabhängig voneinander konfigurierbare PWM-Takte mit einer Auflösung von bis zu 1,3 ns erzeugen. Diese selbstständige Zustandsmaschine kann sowohl auf einen internen Timer als auch auf externe Ereignisse (z. B. Spitzenstrom, Überstrom oder Nulldurchgang) reagieren. Ein typisches Beispiel dafür könnte ein Current-Mode-Abwärtswandler mit einer regelmäßigen, von einem Timer festgelegten Totzeit sein. Obwohl von dem internen Mikrocontroller konfiguriert, arbeitet der Wandler ohne weitere Eingriffe durch die Software. Mit dem integrierten Mikrocontroller des Typs »STM8« werden nicht nur die einzelnen SMEDs konfiguriert, sondern auch ihre Aktivitäten überwacht und diese über SPI oder I²C an ein externes Gerät übermittelt.

Jede der verfügbaren SMED-Zustandsmaschinen umfasst vier Zustände für den Normalbetrieb sowie einen Hold-Zustand. Benutzer können die Bedingungen, die eine Zustandsänderung hervorrufen, selbst konfigurieren. Während des Zustandsübergangs wird der PWM-Output aktualisiert. Einmal konfiguriert, läuft die Zustandsmaschine selbstständig auf 96 MHz. Zwar arbeitet jede SMED unabhängig, sie lassen sich aber kombinieren, um eine leistungsfähigere Zustandsmaschine zu bekommen.

Mixed-Signal-Design

Zeitgemäße Powermanagement-ICs sind Musterbeispiele für echtes Mixed-Signal Design. Anders als bei Universal-Mikrocontrollern mit Mixed-Signal-Peripherie, benötigen sie keine in Software implementierten Zwischenstufen, um digitale und analoge Bereiche zu verknüpfen, was die Leistungsfähigkeit von ICs einschränken kann. Die Königsdisziplin darin besteht wiederum in der Entwicklung einer Single-Chip-Lösung. Ein Beispiel ist der hochintegrierte Digitalcontroller »UCD3138064ARGCT« von Texas Instruments, der galvanisch getrennte Spannungen zulässt (Bild 4). Gegenüber seinem Vorgänger hat der Controller-Baustein nicht nur mehr Speicher, sondern dieser ist auch als duale Flash-Speicherbank aufgebaut, sodass von einem Ablaufcode auf einen anderen nahtlos übergegangen werden kann. Dadurch lassen sich Updates im Feld aufspielen, ohne ein System herunterfahren zu müssen – ein Feature, das für Netzwerkausrüstung mehr und mehr wichtig wird.

Herzstück des UCD ist zwar ein Mikrocontroller vom Typ »ARM7TDMI-S«, aber das echte Differenzierungsmerkmal sind die drei sogenannten DPP-Blocks (Digital Power Peripheral). Diese umfassen einen dedizierten A/D-Wandler für das Fehlersignal, einen PID-basierten digitalen Kompensator mit zwei Polen und zwei Nullstellen sowie digitalen PWM-Ausgängen mit 250 ps Pulsweitenauflösung. Möglich macht dies die Nutzung von 16 phasenverschobenen Taktsignalen, sodass sich Wellenformen mit einer Auflösung erzeugen lassen, die nicht vom Systemtakt bestimmt wird. Am Ende eines jeden DPP-Blocks steht ein DPWM-Modul – ein vollständiger digitaler PWM-Kanal mit zwei unabhängigen Ausgängen. Diese können getrennte Ausgangsspannungsschienen für die Stromversorgung ansteuern oder mit einer benutzerdefinierten Phasenverschiebung zueinander synchronisiert werden. Durch die Kombination mehrerer DPWMs unterstützen sie diverse Stromversorgungstopologien.