Intersil Digital Power für höchste Ansprüche

Bild 1: Analoge PWM-basierte Stromversorgung
Bild 1: Analoge PWM-basierte Stromversorgung

Eine Stromversorgung mit analoger Regelschleife reicht bei den heutigen komplexen Designs bei weitem nicht mehr aus. Die Lösung des Problems ist eine digitale Stromversorgung – Stichwort: »Digital Power«.

Die Stromversorgung zählt meist zur letzten Aufgabe, die während der Entwicklung eines Systems erledigt wird. Die Diskussion beginnt oft damit: »Lasst uns eine Stromversorgung mit dieser Eingangsspannung aufbauen, die mehrere Ausgänge mit diesen Strömen und einem bestimmten Wirkungsgrad bietet, der die Wärmeentwicklung noch unter Kontrolle hält.« Heutige Designs sind jedoch wesentlich komplexer. Entwickler von Stromversorgungen wissen, dass eine gute Stromversorgung – vor allem für höhere Leistungen im Bereich von Hunderten von Watt – oft gegensätzliche Ziele erfüllen muss. Dazu zählen ein flexibler Ausgang, eine dynamische Netz-/Last-Performance, ein guter Wirkungsgrad bei hoher und geringer Last, Bauteiltoleranzen, thermische Belastungen und Temperaturkoeffizienten, Überwachung und Schutz, sowie dynamische Spannungs- und Stromänderungen.

Die Schwierigkeiten bei der Entwicklung hochleistungsfähiger Stromversorgungen werden oft unterschätzt, außer von Experten, die über Jahre hinweg diverse Lösungen entwickelt haben, um immer wieder den neuesten Lastanforderungen gerecht zu werden. Dies ist vor allem bei Stromversorgungen für Server und Netzwerkspeicher der Fall, die heute die Infrastruktur für Cloud Computing- und Telekommunikations-Infrastruktur ausmachen. Die Leistungsanforderungen, die früher vor allem aufgrund hochleistungsfähiger CPUs erforderlich waren, sind nun auch für mittlere bis kleinere Lasten erforderlich.

Die analoge Regelung von Stromversorgungen stagniert

Um diese Anforderungen zu erfüllen, haben Entwickler verschiedene analoge Regelschleifen und -techniken entwickelt. Dazu zählen die Regelung mit konstanter Einschaltzeit, Hysterese-Regelung, aber auch klassische Ansätze wie Voltage- und Current-Mode, und das sind nur einige. Trotz der Eigenschaften, die diese Designs bieten, erfüllen sie nicht länger die aktuellen Anforderungen. Bei einem PWM-Controller sind die Funktionsblöcke wie Fehlerverstärker, Komparatoren und Rampengeneratoren durch ihre Designvorgaben und Variationen begrenzt. Sie unterliegen den Zeit- und Phasenverschiebungen in der Signalkette sowie eingebrachten Störungen und Problemen hinsichtlich des Signalverhaltens. Auch die Auswahl der Bauteile für das Kompensationsnetzwerk spielt eine Rolle (Bild 1).

Die Art dieser Designs hat zur Folge, dass ein einzelner Controller nicht die Flexibilität bieten kann, die moderne Systeme erfordern. Diese mangelnde Flexibilität hat dazu geführt, dass die Leistungsfähigkeit und der Einsatz analoger Controller stagnieren. Zum Glück bieten heute digital geregelte Stromversorgungen, kurz »Digital Power« – eine gute Alternative.

Wie funktioniert Digital Power? Für manche ist es weiterhin ein analoger Regelkreis – nur dass einige Parameter nun über eine digitale Schnittstelle einstellbar sind. So kann beispielsweise die Ausgangsspannung mittels eines Befehls über eine PMBus-Schnittstelle geändert werden. Die Vorteile, die eine digitale Regelung und damit Digital Power für den Markt mit sich bringen, gehen damit aber verloren.