Synthetische Stromregelung Strom für IoT-Cloud-Systeme

Das richtige Regelschema

Während Mehrphasenlösungen die beste Stromversorgungsarchitektur bieten, muss deren Umsetzung sehr sorgfältig erfolgen, um mit der neuesten Generation von Prozessoren kompatibel zu sein. Da Endsysteme mit immer mehr Funktionen auf kleinerem Raum ausgestattet werden, muss sich auch das Power Management verbessern. Das spiegelt sich im Aufbau der Stromversorgungen wider, deren Schaltfrequenzen erhöht werden, um die Baugröße zu verringern und niedrigere Ausgangsspannungen mit höheren Strömen bei Volllast und schnellem Einschwingverhalten bereitzustellen. Diese Trends führen bei der Regelung von Stromversorgungen zu Problemen. Die Regelkreise müssen im Laufe der Zeit weiterentwickelt werden, um auf dem aktuellsten Stand der Technik zu bleiben. Die wesentliche Herausforderung bei einem Mehrphasen-Controller liegt in der Verwaltung des Stroms in jeder Phase, wobei folgende Punkte zu berücksichtigen sind:
Jeder Phasenstrom muss die Last gleichmäßig teilen. Wenn N Phasen vorhanden sind, sollte der Strom für jede Phase zu allen Zeiten Iphase = Iout/N sein.
Phasenströme müssen im stationären Zustand und bei Übergängen ausgeglichen sein.

Diese Bedingungen müssen stets eingehalten werden, da die Stromversorgung sonst überdimensioniert wird. So kann ein Ungleichgewicht der Phasenströme während des stationären Zustands zu thermischen Verschiebungen führen. Reagiert bei einem Einschwingvorgang nur eine Phase auf einen Lastschritt, müsste deren Induktivität deutlich überdimensioniert sein, was den ursprünglichen Zweck der Mehrphasenlösung zunichte machen würde.

Um die beiden oben genannten Bedingungen zu erfüllen, kommt es darauf an, dass die Regelschleife jederzeit über die Phasenströme und die Ausgangsspannung informiert ist – ohne Latenz oder Verzögerung bei der Abtastung.

Synthetische Stromregelung integrieren

Ein neuer Ansatz löst das Problem der Stromerfassung und erübrigt die Anstrengungen, die mit der Spannungsregelung einhergehen. Die Lösung von Intersil wurde mittels moderner, digitaler Regelungstechnik möglich: durch die Verlagerung der gesamten Steuerung, Überwachung und Kompensation in den Digitalbereich. Damit ergibt sich ein synthetischer Stromregelkreis, der einen zyklusweisen Phasenstromausgleich mit schnellem Einschwingverhalten ermöglicht.

Das neue Regelschema ergab sich aus folgender Erkenntnis: Das Highside-Stromsignal ist im Regelkreis entscheidend. Eine direkte Messung ist aber nicht möglich, da eine sehr kurze Pulsdauer und Störungen (Rauschen) vorliegen. Daher verwenden die neuen Mehrphasen-Controller ein synthetisches Stromsignal, das künstlich erzeugt wird. Das bietet den Vorteil, dass es störungsfrei ist und keinerlei Latenz aufweist. Das Grundprinzip ist, dass alle Parameter, die bei der Bestimmung des Phasenstroms beteiligt sind, direkt in jedem Zyklus gemessen werden, sodass der Controller den Strom ableiten kann. Bild 2 beschreibt den Verlauf des Stromsignals.

Die Steigung des Stromsignals bezieht sich auf die Eingangs-/Ausgangsspannung und die Induktivität L. Durch kontinuierliches Messen der Spannung und Berechnung der Induktivität kann ein synthetisches Stromsignal erzeugt werden. Die Kalibrierung über reale Messungen beim Stromabfall ermöglicht es dem Controller, jeglichen Fehler aufgrund des Strom-Offset oder der Steigung zu eliminieren. Dadurch lassen sich Veränderungen des Systems, zum Beispiel durch Alterung, thermische Zyklen oder induktive Sättigung, kompensieren. Zusätzlich zum internen störungsfreien Stromsignal kann der Controller so eingestellt werden, dass er die Regelkreislatenz mit berücksichtigt. Da die Induktorstromrampen auf die PWM eingestellt sind, die vom Controller ausgegeben wird, kann der digitale Regelkreis alle Laufzeitverzögerungen über Intersils Smart-Power-Stufen berücksichtigen, was die Latenz der internen Stromsignale beseitigt.

Diese Funktion ist nur einer der Vorteile, die durch die gesamte Schleifenregelung im digitalen Bereich mit Strom- und Spannungsinformationen genutzt werden können. Das Blockdiagramm in Bild 3 zeigt, dass die digitale Signalverarbeitung in verschiedenen Bereichen angewendet werden kann, um das Gesamtverhalten zu verbessern. Die Spannungsschleifenkompensation erfolgt mit konventionellen PID-Koeffizienten, die sich über Intersils PowerNavigator GUI in Echtzeit einstellen lassen. Liegen sehr enge Spannungsgrenzwerte vor, kann der Einschwingvorgang durch Wechselstromrückkopplung zusätzlich unterstützt werden. Einstellbare Filter und Schwellenwerte sind implementiert, um dynamische Laständerungen direkt im Regelkreis zu berücksichtigen, was eine schnellere Reaktion proportional zum Lastschritt ermöglicht.