Digital Power Der lange Weg des Übergangs

Wie wohl bei fast jeder Einführung einer neuen Technik gab es auch bei „Digital Power“ die üblichen Einwände: zu aufwendig, zu teuer, unnötig. Neben den vollständig digitalisierten integrierten Controllern kommen nun neue Bausteine auf den Markt, die nur Teilaspekte in der Stromversorgung mit Digitaltechnik abdecken.

Intersil hat neue Bausteine angekündigt, mit denen die Digitaltechnik für das Power Management in Stromversorgungssystemen nutzbar gemacht wird. Die Bausteine bestimmen Ströme und Spannungen am hohen und am massenahen Potenzial, digitalisieren die Messwerte und reichen sie über eine serielle Schnittstelle in binärer Form an den übergeordneten Prozessor weiter. Das Kernelement ist ein 16-bit-D/A- Umsetzer, der nach dem ΣΔ-Verfahren arbeitet, eine Toleranz von 0,05 % erreicht und einen Gleichtakteingangsspannungsbereich von 0 bis 60 V bietet.

Der Bereich der Betriebstemperaturen liegt zwischen –40 und +125 °C. Die ISL2802x-Serie besteht derzeit aus drei Varianten:Der ISL28022 ist ein digitaler „Power Monitor“ für kostengünstige Anwendungen. Der ISL28023 integriert auf einem Chip eine PMBus-Schnittstelle, eine Schaltung für die Leistungsmessung mit analogen Komparatoren, einen D/A-Umsetzer, einen Spannungsregler und einen „Hilfskanal für niedrige Spannungen“. Der ISL28025 bietet eine digitale Leistungsmessung, integriert analoge Komparatoren, mit denen sich die Eingänge kontinuierlich überwachen lassen. Reaktionszeiten von weniger als 500 ns ermöglichen eine rechtzeitige Warnung bzw. Abschaltung für empfindliche Systeme.

Mit den Bausteinen lassen sich Versorgungsspannungen bis 60 V überwachen; eine serielle Schnittstelle ist implementiert und kompatibel zu I²C, SMBus und PMBus. Die I²C-Schnittstelle arbeitet ab einer Versorgungsspannung von 1,2 V; die reguläre Betriebsspannung der Chips liegt zwischen 3 und 5,5 V, die mittlere Stromaufnahme bei 800 µA. Der D/A-Umsetzer bietet eine Auflösung von 8 bit; die Amplitude der Ausgangsspannung ist einstellbar. Ein Hilfskanal kann zu weiteren Strom- und Spannungsmessungen oder durch Anschluss einer Diode für die externe Temperaturmessung verwendet werden. Der integrierte Temperatursensor hat eine mittlere Toleranz von 1 K. Der Betriebstemperaturbereich erstreckt sich von –40 bis +125 °C.

Microcontroller on Board

Die sogenannten „Digitally Enhanced Power Analog Controller“ MCP19114/5 von Microchip integrieren neben den üblichen analogen Schaltkreisen einschließlich der PWM-Stufe eine 8-bit-MCU, vergleichbar dem PIC12F617 auf einem Chip. Dabei werden die Betriebsparameter, die Profile für das Abschalten und den Anlauf, die Ansprechwerte für die Schutzschaltungen und die Fehlerbehandlungsroutinen konfiguriert, indem entsprechende Register des MCUs über die Entwicklungsumgebung „MPLAB X“ bzw. ein Debugging Tool gesetzt werden. Der Schaltkreis arbeitet an Betriebsspannungen von 4,4 bis 42 V.

Der analoge Teil bietet u.a. zwei am Massepotenzial arbeitende Treiberstufen für die Leistungs-MOSFETs mit unabhängig voneinander programmierbarer Totzeit, einen programmierbaren Oszillator für Festfrequenz-Anwendungen sowie einen programmierbaren Sägezahngenerator. Mit Hilfe eines Komparators kann der Schaltkreis zudem die magnetische Entsättigung des Trafokerns detektieren, was den Aufbau eines im quasiresonanten Betrieb arbeitenden Sperrwandlers ermöglicht. Der Ausgang dieses „DESAT“-Komparators wird zum Einleiten des nächsten Schaltzyklus verwendet. Der Ausgang triggert zwei Monoflops, deren Impulse wiederum die PWM-Stufe ansteuern.

Durch die analogen Elemente und die weitgehende digitale Einstellung der Betriebsparameter eignet sich der Schaltkreis für das Rea-lisieren von Hochsetzsteller (Boost), Sperrwandler, SEPIC (Single-Ended Primary Inductance Converter), Čuk-Wan-dler usw. Die Kommunikation mit der internen MCU erfolgt über eine I²C-Schnittstelle.