Stromversorgungen »Digital Power« ist…

»Digital Power« ist ein Modewort, bei dem jeder glaubt, er wisse, worum es geht. Doch immer noch herrscht Verwirrung. Tatsächlich gilt es, einige Dinge auseinander zu halten. Dieser Beitrag versucht, einige der in diesem Zusammenhang benutzten Begriffe zu definieren, besonders digitale Leistungsregelung und digitales Power-Management.

Seit geraumer Zeit vermarkten Halbleiterund Stromversorgungshersteller das Konzept »Digital Power«, wobei immer mehr Digitaltechnik die Anforderungen der heute zunehmend komplexer werdenden Stromversorgungssysteme erfüllen soll. Viele Anwender warten vorerst aber ab, da viele Stromversorgungshersteller alternative Ansätze und Architekturen anbieten. Bis heute finden sich noch keine großen Designs, die digitale Ansätze aufweisen, was bei den Entwicklern eine bestimmte Zurückhaltung hervorruft. Außerdem definieren verschiedene Anbieter »Digital Power« auch unterschiedlich, was den Markt noch weiter verunsichert. Was steckt als hinter der digitalen Leistungsversorgung und worin liegen die Vorteile?

Bei jeder Diskussion über eine digitale Leistungsversorgung ist der Unterschied zwischen »Power-Control« (Leistungsregelung) und »Power-Management« allgegenwärtig. Ericsson beispielsweise verwendet den Begriff »Power-Control« für die Regelungsfunktionen innerhalb einer Stromversorgung selbst, vor allem für die zyklische Regelung des Energieflusses innerhalb der Einheit. Dazu zählen die Rückkopplungsschleife und die internen Funktionen.

Power- Control muss in harter Echtzeit arbeiten, genauso wie die Schaltfrequenz der Stromversorgung. Diese Art von Regelung lässt sich mit analogen oder digitalen Schaltkreisen implementieren, wobei Stromversorgungen mit beiden Ansätzen für den Anwender jeweils identisch erscheinen. Eine digitale Leistungsregelung erfordert beim Endanwender somit keine Änderungen und auch kein neues Design.

»Power-Management« hingegen bezieht sich auf die Kommunikation und/oder Regelung außerhalb einer oder mehrerer Stromversorgungen. Dazu zählen Funktionen wie Konfiguration, Regelung und Überwachung einzelner Stromversorgungen eines Systems sowie die Kommunikation bei der Fehlererkennung. Power-Management- Funktionen müssen nicht in Echtzeit ablaufen – sie arbeiten in einem Zeitrahmen, der deutlich langsamer ist als die Schaltfrequenz. Diese Funktionen vereinen analoge und digitale Techniken; zum Beispiel wird über Widerstände die Ausgangsspannung eingestellt, während das Power-Sequencing (Ablaufsteuerung) Steuerungsanschlüsse zu jeder Versorgung erfordert. Nach Ericssons Definition zählen zum digitalen Power-Management alle Funktionen, die digitale Techniken mit einbeziehen. Um die Anschlusskomplexität zu verringern, kommt anstelle mehrerer kundenspezifischer Verbindungen zu jeder Stromversorgung für die Ablaufsteuerung und die Fehlerüberwachung eine Datenkommunikationsstruktur in Busform zum Einsatz.

Bild 1 (links) zeigt einen PWM-Baustein (Pulsweitenmodulation) in einem klassischen analogen Regelkreis. Ein Widerstandsteiler tastet die Ausgangsspannung der Stromversorgung ab; der Wert wird über einen Fehlerverstärker mit einer Referenzspannung verglichen.

Der Fehlerverstärker gibt ein Analogsignal aus, welches proportional zur erforderlichen Ausgangsspannungskorrektur ist. Dieses Fehlersignal wird in den PWMChip zurückgekoppelt, der einen Ausgangspuls erzeugt, dessen Breite über das Fehlersignal definiert ist. Dieser Puls steuert einen Leistungshalbleiter an, meist einen MOSFET.

Da diese Bauteile hohe Gate-Kapazitäten aufweisen, sind Treiberschaltkreise erforderlich, um sie effizient ein- und auszuschalten. Ein festes Netzwerk aus Widerständen und Kondensatoren kompensiert die Regelschleife und gewährleistet ein Gleichgewicht zwischen dynamischem Regelverhalten und Stabilität.

Ansonsten besteht eine Stromversorgung noch aus zwei anderen Blöcken: dem Eingangs- und dem Ausgangsfilternetzwerk. Die aus Induktivitäten, Kondensatoren und Widerständen zusammengesetzten Schaltkreise bieten verschiedene Funktionen. So schützt das Eingangsfilter die Stromversorgung vor Netzspannungsspitzen, bietet Energiespeicherung für den Betrieb bei dynamischen Lastwechseln und enthält Filternetzwerke, mit denen die Stromversorgung die Spezifikationen hinsichtlich eingangsseitiger, leitungsgebundener Störstrahlungen erfüllt.

Das Ausgangsfilter glättet die Ausgangsspannung und gewährleistet, dass die Stromversorgung die Anforderungen an Welligkeit und Rauschen erfüllt. Außerdem speichert es Energie, um die dynamischen Stromanforderungen der Lastschaltkreise zu unterstützen. Dabei sind sowohl die Eingangs- und Ausgangsfilter als auch die Leistungselektronikbauteile bei analogen wie auch bei digitalen Steuerungsarchitekturen im Wesentlichen gleich.

Digitale Leistungsregelung

Der Aufbau einer digitalen Steuerungsarchitektur ist in Bild 1 (rechts) dargestellt. Ähnlich wie bei einem analogen System verläuft die Abtastung der Ausgangsspannung, allerdings ersetzt hier ein A/D-Wandler (ADC) den analogen Fehlerverstärker und wandelt die abgetastete Spannung in ein Datenwort um.

Als vorteilhaft erweist es sich, wenn neben der Ausgangsspannung auch die Werte anderer analoger Parameter wie Ausgangsstrom und Temperatur innerhalb der Stromversorgung bekannt sind. Getrennte ADCs könnten jeder dieser Parameter erfassen; wesentlich effizienter ist aber die Verwendung eines einzigen Datenwandlers, dem ein Multiplexer (MUX) vorgeschaltet ist. Dieser Baustein schaltet zwischen den zu messenden analogen Eingängen hin und her und leitet die Werte an den ADC weiter.

Da die Abtastrate von MUX und ADC fest ist, haben die jeweils ausgegebenen Werte einen bestimmten zeitlichen Abstand zueinander. Diese gelangen zu einem Mikrocontroller (MCU), welcher die Verarbeitung für das System übernimmt. Daraufhin führt die MCU mithilfe eines Regelungsalgorithmus’ eine Reihe von Berechnungen auf der Basis der Daten des ADCs durch. Die Ergebnisse sind Parameter wie das Fehlersignal, die gewünschte Pulsbreite für die Treiberstufe, optimale Verzögerungswerte für die verschiedenen Treiberausgänge und die Parameter für die Schleifenkompensation.

Externe Bauteile zur Schleifenkompensation wie bei analogen Systemen werden somit hinfällig. Referenzwerte der Parameter wie zum Beispiel Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und Temperaturgrenzwerte werden im nicht flüchtigen Speicher während der Fertigung der Stromversorgung abgelegt oder lassen sich beim Startup des Systems in den Datenspeicher hochladen.

Im Vergleich zur analogen Regelung ist die digitale Regelung bei Änderungen der Netz- und Lastzustände flexibler. Analoge Lösungen sind meist nur für einen Satz von Regelungsparametern konfiguriert; digitale Regelungen können die Parameter in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Wandlers ändern. Bei einem synchronen PoL-Abwärtsregler (Point of Load) stellt eine Totzeit sicher, dass die oberen und unteren MOSFETs nie gleichzeitig durchschalten.

Analoge Regelungen verwenden ein Netzwerk mit fester Zeitkonstante, das diese Totzeit für Worst-Case- Bedingungen festlegt. Unter normalen Betriebsbedingungen ist dieser Wert aber länger als nötig, was den Wirkungsgrad des Wandlers verringert. Im Gegensatz dazu kann eine digitale Regelschleife den Wert in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen beliebig variieren, was den Wirkungsgrad eines PoL-Wandlers optimiert.

In analogen Systemen ist auch die Kompensation der Rückkopplungsschleife ein Kompromiss zwischen Stabilität und dynamischem Ansprechverhalten. Bei digitaler Regelung lässt sich eine nicht lineare oder adaptive Regelschleife entwickeln, welche den Kompensationsfaktor in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen variiert. Somit reagieren die Stromversorgung oder der PoL-Regler nach Bedarf schneller oder langsamer.

Dieser Ansatz bietet noch weitere Vorteile: Je nach Spannungstoleranz sind am Ausgang weniger Entkopplungskondensatoren erforderlich und es lassen sich Kosten, Bauteile und Platz einsparen. Außerdem ermöglicht die digitale Regelung einen Betrieb im diskontinuierlichen Modus, wenn die Stromversorgung unter hohen Lastbedingungen Schaltzyklen auslässt, ohne den Nachteil einer schlechten dynamischen Last-Performance.