Alle Parameter im Griff Digitales Power-Management mit dem LTC3880

Systemarchitekten von Netzwerkausrüstungen, Datenzentren und anderem End-Equipment sehen sich alle den gleichen Herausforderungen gegenüber: Die Performance und der Funktionsumfang ihrer Geräte sollen steigen, gleichzeitig soll der Leistungsverbrauch des Systems insgesamt sinken. Um diese Anforderung erfüllen zu können, muss der Leistungsverbrauch der Geräte genau bekannt sein. Ein sauber entwickeltes digitales Power-Management-System hilft Entwicklern und Anwendern, die Parameter im Griff zu haben.

Es ist nicht unüblich, dass bis zu zwanzig PoL-Spannungspegel in einem Datenkommunikations-, Telekommunikations- oder Speichersystem vorhanden sind und Systemarchitekten einen einfachen Weg benötigen, um diese Pegel bezüglich ihrer Ausgangsspannung, sequenziellem Ein-/Ausschalten und maximal erlaubtem Strom zu managen.

Viele Prozessoren erfordern, dass ihre I/O-Spannung vor ihrer Core-Spannung ansteigt, alternativ erfordern einige DSPs, dass ihre Core-Spannung vor der I/O-Spannung ansteigt. Und dieses Spiel wiederholt sich beim Abschalten. Deshalb benötigen die Entwickler eine einfache Möglichkeit, Änderungen durchführen zu können, um die Systemleistung zu optimieren und eine bestimmte Konfiguration für jeden DC/DC-Wandler zu speichern, um damit die Designaufgabe zu vereinfachen.

Um teure ASICs vor Überspannung zu schützen, müssen schnelle Komparatoren jeden Spannungspegel überwachen und sofort Schutzmaßnahmen einleiten, wenn einer dieser Pegel aus seinen spezifizierten sicheren Betriebsgrenzen fällt. In einem digitalen Stromversorgungssystem kann der Host über die Alarmleitung des PMBus benachrichtigt werden und den betroffenen Wandler abschalten, um die von ihm versorgten Bauteile zu schützen. Um dies zu erreichen, ist eine entsprechende Genauigkeit und Antwortzeit im Bereich von wenigen zehn Mikrosekunden erforderlich. Der kürzlich vorgestellte »LTC3880« von Linear Technology eignet sich für die Echtzeitsteuerung und Überwachung von wichtigen Funktionen bei PoL-Wandlern.

Bild 1 zeigt eine typische Applikationsschaltung. Der Baustein kann zwei Ausgänge unabhängig voneinander regeln oder als ein Ausgang mit zwei Phasen konfiguriert werden. Bis zu sechs Phasen lassen sich auf mehrere ICs aufteilen und parallelschalten, was die Anforderungen an die Filterung der Ein- und Ausgänge bei Hochstromanwendungen oder Applikationen mit mehreren Ausgängen minimiert. Ein eingebauter differenzieller Verstärker bietet die echte Fernmessung der Ausgangsspannung.

Integrierte Gate-Treiber versorgen alle n-Kanal-Leistungs-MOSFETs aus Eingangsspannungen zwischen 4,5 V und 24 V und können ±0,5% genaue Ausgangsspannungen bis zu 5,5 V mit Ausgangsströmen bis zu 30 A pro Phase über den gesamten Temperaturbereich generieren. Durch das genaue Timing über mehrere Chips hinweg und durch das ereignisbasierte, sequenzielle Ein-/Ausschalten lassen sich komplexe Systeme mit vielen unterschiedlichen Spannungspegeln beim Rauf- und Runterfahren optimieren.

Der LTC3880 enthält einen LDO zur Versorgung von Controllern und Gate-Treibern, und der LTC3880-1 arbeitet mit einer externen Bias-Spannung für höchstmöglichen Wirkungsgrad. Beide Bauteile werden in einem thermisch verbesserten QFN-Gehäuse mit 6 mm x 6 mm Kantenlänge angeboten. Die Befehlssprache des PMBus wurde entwickelt, um die Bedürfnisse von großen Systemen mit mehreren Versorgungsspannungen zu erfüllen.

Sie ist ein Standardprotokoll für das Power-Management mit einer vollständig definierten Befehlssprache, um die Kommunikation mit Spannungswandlern, Power-Management-Bausteinen und System-Hostprozessoren zu vereinfachen. Zusätzlich zum Satz an Standardbefehlen können PMBus-kompatible Bausteine auch ihre eigenen speziellen Befehle implementieren. Dadurch bieten sich neuartige Möglichkeiten, PoL-Wandler zu programmieren und zu überwachen.

Programmieren über eine GUI

Um den LTC3880/-1 zu programmieren und zu testen, hat der Linear Technology die Windows-basierte, kostenfreie Entwicklungssoftware »LTPowerPlay« vorgestellt. Über eine grafische Bedienoberfläche (GUI) lassen sich die Parameter programmieren, auch eignet es sich als Debug- und Bring-up-Werkzeug.

Parameter
Auflösung & Genauigkeit
Ausgangsspannung Uout setzen
8 Bit ±2 %
Eingangsspannung Uin überwachen8 Bit ±2 %
Über- und Unterspannung überwachen8 Bit ±2 %
Strombegrenzung
3 Bit ±5 mV
Tabelle 1: Einige der programmierbaren Parameter des LTC3880

Die programmierbaren Steuerparameter des LTC3880 (Tabelle 1) beinhalten Ausgangsspannung, Margining, Strombegrenzung, Grenzen der Ein- und Ausgangsüberwachung, Einschaltsequenzen und Tracking, Schaltfrequenzen, Identifizierung und Rückverfolgbarkeit.

Parameter
Auflösung & Genauigkeit
Ausgangsspannung Uout
15 Bit ±0,5 %
Ausgangsstrom lout
15 Bit ±1 %
Eingangsspannung Uin15 Bit ±2 %
Eingangsstrom Iin±5 %
Tabelle 2: Einige der Parameter des LTC3880, die sich auslesen lassen

Integrierte Datenwandler und das EEPROM erlauben die Erfassung und nichtflüchtige Speicherung der Konfigurationseinstellungen des Reglers und der Telemetrievariablen, einschließlich der Ein- und Ausgangsspannungen und -ströme, Schaltfrequenz, Temperatur und Fehlererfassung (Tabelle 2). Konfigurationen für den LTC3880/-1 werden über die serielle I2C-Schnittstelle des Bausteins im internen EEPROM gespeichert.

Mit den auf dem Chip gespeicherten Konfigurationen kann der Controller autonom hochfahren, ohne den Hostprozessor zu belasten. Standardeinstellungen können optional über einen externen Widerstandsteiler für Ausgangsspannung, Schaltfrequenz, Phase und Bausteinadresse konfiguriert werden. Mehrere Entwicklungen können einfach in Firmware kalibriert und konfiguriert werden, um ein einziges Hardwaredesign für eine breite Palette an Applikationen zu optimieren.

Zwar ist der LTC3880/-1 ein digital programmierbarer Controller. Allerdings besitzt er eine analoge Rückkoppelschleife, um optimale Stabilität und Einschwingverhalten zu erzielen. Die analoge Schleife hat einen sanften Anlauf, die digitale Schleife dagegen eine Art Treppenfunktion, was zu Stabilitätsproblemen und langsamerem Einschwingen führen kann.

In solchen Applikationen muss daher oft eine größere Ausgangskapazität eingesetzt werden. Daher kann der LTC3880 bis zu 50 Prozent der Ausgangskapazität im Vergleich zu einer digitalen Rückkoppelschleife einsparen.

Bild 2 zeigt den Vergleich des Einschwingverhaltens einer analogen (links) mit einer digitalen Rückkoppelschleife (rechts). Trotz deutlich kleinerer Ausgangskondensatoren schwingt die analoge Schleife wesentlich sauberer und schneller ein als die digitale.

Darüber hinaus addiert der Quantisierungseffekt wegen des A/D-Wandlers, des digitalen Kompensator und der digitalen PWM eine zusätzliche Spannung auf die Ausgangswelligkeit (Brumm), abhängig von der Auflösung des A/D-Wandlers und dem Schleifendesign. Im Gegensatz dazu hat eine analoge Steuerschleife diese zusätzliche Brummspannung nicht (siehe Bild 2).