Digitale Regelung plus 3D-Integration Weniger Platz, mehr Leistung

3D-Integration spart Platz: digital geregelte DC/DC-Wandler für dezentrale Stromversorgungen.
3D-Integration spart Platz: digital geregelte DC/DC-Wandler für dezentrale Stromversorgungen.

POL-Leistungswandler müssen hohe Ströme liefern, sollen schnelle Laständerungen ausregeln können, dürfen aber nur wenig Platz auf der Leiterplatte in Anspruch nehmen. Mit 3D-Integration und digitaler Regelung lässt sich viel Platz sparen und der Wirkungsgrad noch ein Stückchen nach oben treiben.

Die bei der Leistungswandlung erzeugte Wärme, vor allem in Stromversorgungen mit über 100 W Leistung, ist eine der größten Herausforderungen in Rechenzentren und Vermittlungsstellen. Als verschwendete Energie stellt diese Wärme nicht nur finanziellen Verlust dar, sondern sorgt zusätzlich für unerwünschte Kühlkosten, um eine sichere Wärmeableitung zu garantieren und die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen. Neue Stromversorgungsmodule mit Gehäusen, die weniger Wärme unter allen Betriebsbedingungen erzeugen und eine effiziente Wärmeableitung bieten, können beide Aspekte wirksam berücksichtigen.

Die Abwärme ist jedoch nur ein Problem von vielen, denen sich Entwickler von Stromversorgungen ausgesetzt sehen. Die neuesten Mikroprozessoren und FPGAs erfordern hohe Spitzenströme, schnelles Reagieren auf Lasttransienten und mehrere Versorgungsspannungen, einschließlich einer Kernspannung von 1 V oder weniger. Dies schreibt eine nahe Platzierung von POL-Wandlern (Point of Load) vor, die schnell und dynamisch reagieren, ohne eine hohe Zahl an Entkopplungskondensatoren zu benötigen, die sonst wertvollen Platz auf der Leiterplatte einnehmen würden.

Digital geregelte Leistungswandler können den Wirkungsgrad erhöhen – aber nicht alle Module am Markt nutzen die Vorteile der Digitaltechnik voll aus, um das Transientenverhalten zu optimieren. Verbesserungen bei den Gehäusen und der Positionierung der internen Bauteile sind erforderlich, um die Abhängigkeit von sperrigen und teuren Kühlkörpern zu verringern.

Die Vorteile von Digital Power richtig nutzen

Im Vergleich zu herkömmlichen analogen Schaltungen können digital geregelte Leistungswandler mit hohem Wirkungsgrad über einen viel weiteren Lastbereich betrieben werden. Dafür sorgen anpassbare Funktionen wie die dynamische Spannungsskalierung und Frequenzänderung.

Die digitale Implementierung der PWM, des Regelkreises und der Rückkopplung sorgt für mehr Stabilität, ohne die Reaktionsfähigkeit zu beeinträchtigen, wie es bei einer analogen Regelung der Fall ist. Die Ausgangskapazität, die zur Handhabung von Transienten bei Lastsprüngen erforderlich ist, kann daher wesentlich geringer ausfallen. Dies spart Platz auf der Leiterplatte und Materialkosten ein.

Obwohl die digitale Regelung Vorteile wie eine schnelle Regelschleife bietet, nutzen viele Hersteller nicht sämtliche Vorteile aus. Sie setzen dabei nur die wesentlichen analogen PWM-Techniken in digitaler Form um. Die digitale Regelung ermöglicht jedoch flexiblere Regelkreise, indem Überabtastung (n × Schaltfrequenz), unterschiedliche Abtastzeiten (Multi-Rate Sampling), Fouriertransformation sowie verschiedene digitale Filtertypen, z.B. Kerbfilter und zur Steuerung des Phasenverlaufs, mit einbezogen werden. Diese Funktionen und eine komplexe digitale Signalverarbeitung sind mit herkömmlichen analogen Regelungstechniken nicht möglich.

Bild 1 vergleicht die Regelkreise für eine analoge Frequenzgangkompensation mit drei Pol- und zwei Nullstellen (Typ 3), wie sie bei spannungsgeregelten Abwärtswandlern heute verwendet wird, mit einer digitalen Architektur, die auf schnelle Reaktion ausgelegt ist.

Der erste Pol der Übertragungsfunktion in der Nähe des Ursprungs erzeugt eine hohe Verstärkung bei niedriger Frequenz. Der zweite Pol kompensiert die Nullstelle des ESR (Equivalent Series Resistance) des Ausgangskondensators. Der dritte Pol erhöht die Dämpfung hochfrequenter Störungen, die von der Welligkeit der Ausgangsspannung aufgrund der Schaltvorgänge verursacht werden. Die beiden Nullstellen werden genutzt, um die Verstärkung des Regelkreises bei der Durchtrittsfrequenz und im gesamten Verstärkungsverlauf zu definieren, damit der Regelkreis stabil arbeitet.

Der einpolige Tiefpassfilter (Bild 1 oben) entfernt die von den Schaltvorgängen herrührende Welligkeit, damit der Pulsweitenmodulator stabil arbeiten kann. Dadurch wird jedoch eine zusätzliche Phasenverzögerung in den Regelkreis mit eingebracht. Um eine ausreichende Phasenreserve zu erhalten, verringern sich dadurch die Regelkreisbandbreite und die Reaktionsgeschwindigkeit. Als einzige Möglichkeit, um mit dieser Analogschaltung eine weitere Verbesserung zu erzielen, bieten sich frequenzvariable Schalttechniken an, die höhere Frequenzen verwenden, sobald sich die Spannung schnell ändert. Dies kann in Systemen unerwünscht sein, die ein genau kontrolliertes Störsignalspektrum erfordern, um elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu gewährleisten.

Im digitalen, schnell reagierenden Regelkreis (Bild 1 unten) führt der ADU eine Überabtastung bei einer Frequenz von n × Schaltfrequenz durch, mit n > 1. Dadurch ist die Phasen- bzw. Gruppenlaufzeit, die durch die A/D-Umsetzung eingebracht wird, für die Regelkreisstabilität vernachlässigbar. Durch die Überabtastung kann die Übertragungsfunktion H(z-1) mit einem ähnlichen Frequenzverhalten wie die analoge Frequenzgangkompensation mit zwei Null- und zwei Polstellen (Bild 1 oben) entwickelt werden – bezogen auf die Schleifenverstärkung und die Phase. Wichtiger ist, dass das Filter zur Dämpfung der störenden HF-Spannungswelligkeit rein digital realisiert werden kann und sich somit vollständig vom Tiefpassfilter der analogen Schaltung (Bild 1 oben) unterscheidet.

Mit den Vorteilen der digitalen Signalverarbeitung lässt sich ein FIR-Filter (Finite Impulse Response) mit geringer Latenz einfach integrieren, um alle periodischen Welligkeitsbestandteile abzublocken. Was übrig bleibt, sind nichtperiodische Bestandteile im Signal, einschließlich transienter Stufen mit geringer oder gar keiner Verzögerung. Dies verringert die Spannungswelligkeit um mehr als 20 dB ohne merkliche Zeitverzögerung, was höhere Verstärkungen und Bandbreiten ermöglicht. Die Fähigkeit, auf transiente Laständerungen zu reagieren, verbessert sich deutlich. Bild 2 verdeutlicht das verbesserte Verhalten bei schnellen Laständerungen, das die von Intersil entwickelte schnelle digitale Frequenzgangkompensation ermöglicht. Verglichen wird der digital geregelte POL-Wandler ISL8273M (Bild 2 links) mit einem anderen 26-A-DC/DC-Wandlermodul (Bild 2 rechts) bei ähnlicher Ausgangskapazität und ähnlichen Betriebsbedingungen. Mit einer Laststrom-Anstiegsrate von >200 A/µs hält der ISL8273M die Spitze-Spitze-Abweichung der Ausgangsspannung im Bereich von 100 mV und die Erholzeit bei 22 µs (Bild 2 links). Das andere Modul weist eine wesentlich höhere Abweichung von 165 mV und eine Erholzeit von 55 µs auf, bei einer Strom-Anstiegsrate von nur 20 A/µs (Bild  2 rechts).