Technologieentwicklung Zehn Thesen zu Digital Power

Um mit den steigenden Anforderungen an die Stromversorgungen Schritt zu halten, bietet es sich an, bestimmte Teile davon mit Mikroprozessoren auszuführen. Aber Schaltungskonzepte, die ausschließlich auf Digitaltechnik beruhen, setzen sich nur langsam durch. Hier sind zehn Thesen zur Diskussion.

1.  Die  Konzepte der digitalen Regelung sind seit vielen Jahren bekannt, dabei können die Algorithmen längst die Beschränkungen der analogen PID-Regelung auflösen. Die Beispiele reichen vom Herausrechnen von Störungen mit Hilfe von Zustandsschätzungen (Kalman-Filter) über parallel zum Prozess geführte Simulationen (Luenberger-Beobachter) bis zu prädikativen Algorithmen mit der Fähigkeit zur Adaption an sich verändernde Systemzustände.

2. Mit der Implementierung von Mikroprozessoren oder auch Zustandsautomaten in den Spannungsreglerschaltkreis löst sich das Problem der Sequenzierung; in analoger Technik lassen sich hier nur starre Abläufe realisieren. Der Mikrocontroller ermöglicht etwa eine ereignisgesteuerte Sequenzierung, etwa auch eine Erkennung der Umgebung beim Einschalten (automatische Inbetriebnahme).

3. Digitale Spannungsregler-ICs müssen wegen des Overheads, der für den Betrieb der implementierten Mikrocontroller erforderlich ist, vergleichsweise hohe Systemleistungen vorhalten. Eine andere Variante sind dedizierte Zustandsautomaten, die bei der Verarbeitungsgeschwindigkeit von den Controller-Strukturen nicht zu schlagen sind.

4. Systems on Chip sind für den Aufbau von digitalen Stromversorgungen eigentlich prädestiniert, sie ermöglichen mit der Vielzahl der bereits integrierten Schnittstellen eine hohe Flexibilität bei der Wahl der Wandler-Topologie. Nahezu jedes Schaltkonzept lässt sich mit den SoCs verwirklichen, so dass mit den immer gleichen digitalen Elementen speziell an die "Versorgungsaufgabe" angepasste Systeme realisieren lassen.

5. Die Verwendung einer PWM-Ansteuerung der Leistungsschalter ist typisch für die digitale Stromversorgung. Hohe Frequenzen sind hier hilfreich, um die Größe der externen Komponenten zu verringern, sie stellen aber hohe Anforderungen an die Schalter (MOSFETs) im Leistungsteil. Auch führen die schnellen Schaltflanken zu hochfrequenten Störungen, die nur durch sorgfältige Schaltungsauslegung an der Ausbreitung in das System gehindert werden können.

6. Sprunghafte Veränderungen der Eingangsspannung oder der Last verursachen in analog geregelten Spannungswandlern ein Überschwingen der Ausgangsspannung, durch das die angeschlossenen elektronischen Bauelemente (Prozessoren) gefährdet werden. Mit einer ausreichend schnellen digitalen Regelung lassen sich solche Zustände abfangen und die auftretenden Spannungsspitzen sicher begrenzen.

7. Der in großen Systemen für die Steuerung und Koordinierung der Stromversorgungen genutzte PMBus bietet mit seinem umfangreichen Befehlssatz vielfältige Möglichkeiten für die Beeinflussung auch von PoL-Stromversorgungen. Mit der Verwendung von Mikrocontrollern in den PoS-Modulen wird auch dort die unmittelbare Umsetzung zentraler Vorgaben möglich.

8. Mit dem PoL-Ansatz (Point of Load) besteht die Möglichkeit, den zu versorgenden Mikroprozessor eng an den Stromversorgungsschaltkreis zu koppeln, so dass z.B. die Hochlaufzeiten beim Wake-up deutlich verkürzt werden können.

9. Digitale Stromversorgungen sind wegen ihrer hohen Flexibilität gut geeignet für Sonderentwicklungen, wegen des ohnehin vorhandenen Mikrocontrollers für die Einbindung in Systeme (PMBus, Sequenzierung) und wegen des hohen Integrationsgrades für PoL-Lösungen auf der Leiterplatte bzw. im Einschub.

10. Die Verwendung von Mikroprozessoren bietet schließlich die Möglichkeit, ein Logbuch über den Verlauf unterschiedlichster Messgrößen (Temperatur, Eingangsspannung, Lasten und Lastverläufe etc.) und die Fehlerzustände des Systems zu führen. Besonders hilfreich ist dabei die Auflösung der eher globalen Fehlermeldungen, etwa in einem laufend übermittelten Power Status Word.

 

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Jens Würtenberg
Redaktion Elektronik