Digital Power Ein Plädoyer für die State Machine

Den Vorteilen der "digitalen Stromversorgung" steht ein Mehraufwand für die Digitalisierung der Regelschleife und gegenüber. Wir befragten Dr.-Ing. Bernhard Strzalkowski, Senior Power Systems Applications Engineer bei Analog Devices, zu den Möglichkeiten und Chancen von "Digital Power".

Herr Dr. Strzalkowski, welche der mit den digitalen Stromversorgungskonzepten möglichen Zusatzfunktionen bzw. -eigenschaften halten Sie für besonders wichtig?

Dr. Bernhard Strzalkowski: Es gibt einige nützliche Funktionen, die erst mit Hilfe von digitalen Stromversorgungen möglich sind:

  • Telemetrie, welche den Zustand der Stromversorgung über einen Bus an den übergeordneten Controller übermittelt
  • Adaptive und/oder prädiktive Regelung
  • Anpassung der Parameter „on-the-fly“ für optimales Systemverhalten und höchsten Wirkungsgrad
  • Autokompensation

 

 Allein mit der Integration eines Mikrocontrollers wird eine Stromversorgung ja schon systemfähig. Werden die Möglichkeiten des PMBus künftig auch in kleineren Modulen genutzt, oder bleibt dieses großen System vorbehalten?

Strzalkowski: Ein Trend in Richtung kleinerer Leistungen kann man schon heute beobachten: es gibt Module unterhalb von 60 W, welche einen PMBus Anschluss anbieten. Einige Kunden sind bereit die höhere Kosten für den PMBus zu akzeptieren: dadurch haben Sie die fast vollständigen Überblick der Parameter und ausreichende Kontrolle des Modules.

 

Bei der Stromversorgung von Systemen setzt sich das PoL-Konzept (Point of Load) offenbar durch. Welcher der Vorteile (kurze Verbindung, schnelle Reaktion etc.) wird hier als entscheidend wahrgenommen?

Strzalkowski: Nicht nur hohe Bandbreite und kurze Verbindungen zum Verbraucher aber auch hoher Wirkungsgrad, individuelle und unabhängige Systemüberwachung, gleichmäßige Temperaturverteilung sind wichtige Entscheidungskriterien für einen PoL. Eine schnelle und genaue Überstromüberwachung erlaubt Verwendung kleinerer Induktivität, da keine Entsättigung entsteht. Eine schnelle und genaue Überspannungsüberwachung ist für die Systeme mit den Spannungen unterhalb 1 V extrem wichtig.

 

SoCs bieten in ihrer Standardkonfiguration alle Bausteine für den Aufbau einer "digitalen" Stromversorgung; warum also bieten die Halbleiterhersteller hier dedizierte Schaltkreise?

Strzalkowski: Ein dedizierter Schaltkreise bieten eine auf den Kundenbedarf zugeschnittene Systemlösung, die die niedrigsten Kosten und den höchsten Wirkungsgrad aufweisen. Sie sind auch leicht zu programmieren.

 

Haben Ihrer Meinung nach die Schaltkreise mit dedizierten Zustandautomaten eine gute Chance, oder reicht hier die Flexibiltät nicht aus?

Strzalkowski: Die Zustandautomaten bieten aufgrund der optimierten internen Schaltkreise und stabilen Algorithmen nicht nur bessere Kostenstruktur und höhere Robustheit gegenüber Störungen sondern auch ausreichende Flexibilität. Ein leicht einstellbarer mehrphasiger PWM-Generator und multifunktionale Überwachung helfen die gewünschte Konfiguration schnell zu erstellen. Der Zustandsautomat bietet also schnellere Reaktionszeiten und leichtere Programmierung.

 

PWM ist die Methode der Wahl für die Ansteuerung der Leistungsschalter einen Stromversorgung; welche Maßnahmen müssen hier für die Vermeidung allzu großer Störungen duch die schnellen Flanken getroffen werden?

Strzalkowski: Schnelle Flanken verursachen leitungs-gebundene und -nichtgebundene Störungen. Die ersten können durch entsprechende Filtermaßnahmen unterbunden werden. Die nichtgebundene Abstrahlungen werden durch gezielte Abschirmung reduziert. Mit Hilfe vom digitalen Kontroller ist es auch möglich die Störungen durch Gegenphasenansteuerung deutlich zu reduzieren. Schnelle Schaltflanken helfen nicht unbedingt den hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Resonante Konverter sowie das resonante Schalten der Leistungshableiter (Zero Voltage Switching, Zero Current Switching) können den Störpegel deutlich senken.

 

Schnelle Reaktion ohne Überschwingen ist auch für analoge Regelsysteme das angestrebte Verhalten. Sind mit digitalen Regelkreisen hier Verbesserungen möglich?

Strzalkowski: Eine der wirksamsten Methoden der Verbesserung  der digitalen Regelkreise ist die Einführung von nichtlinearer Schleifenverstärkung/Transferfunktion.  Alle Koeffizienten des Regelkreises können hier anders als bei analogen Regelsystemen unabhängig und flexible voneinander eingestellt werden.

 

Fehler in Stromversorgungen führen häufig zu Systemausfällen, daher könnten digitale Logbücher, in denen die Zustände laufend protokolliert werden, ein Mittel zur Steigerung der Zuverlässigkeit sein. Gibt es hierfür Ansätze?

Strzalkowski: Digitale Controller ermöglichen die Zustände des Leistungskonverters zu protokolieren (Blackbox Funktion). Dadurch können die gefährlichen Zustände und die meisten Fehler erkannt, erfasst und analysiert werden. Die Logbücher sind auch sehr hilfreich bei der Inbetriebnahme des Konverters, wenn die Überstrom- und Überspannungsüberwachungen  gezielt abgesenkt werden um Leistungsschalter zu schonen.

 

Mit den Mikrocontrollern on Board wäre ja auch eine selbstständige Inbetriebnahme der Stromversorgung möglich. Könnte das eine Option sein, die von den Systemarchitekten ausgedehnter verteilter Systemen nachgefragt wird?

Strzalkowski: Eine selbstständige Inbetriebnahme ist schon heute ein Standardverfahren um die Herstellungskosten zu senken und die Qualität zu erhöhen. Darüber hinaus kann der sogenannte Margining durchgeführt werden, um die Reaktion des Systems auf langfristige Parameterabweichungen aufgrund des Drifts und der Alterung der Komponenten zu überprüfen.