Digital Power Autotuning von Leistungswandlern wird Realität

Seitdem »Digital Power« vom Schlagwort zur Produktrealität geworden ist, sind viele Dinge einfacher geworden. Ein neu entwickelter Algorithmus erlaubt nun auch die automatische Abstimmung des auf einem PID-Filter basierenden Kompensationsnetzwerks und macht so den Weg zum Autotuning frei.

Seit geraumer Zeit bietet STMicroelectronics (ST) rein digitale DC/DC-Wandler zur Versorgung von Prozessoren an. Diese basieren auf einer proprietären Architektur mit der Bezeichnung »STVCOT« (Voltage Controlled Constant-On Time). Entwurf und Produktion der Gesamtsysteme haben sich damit erheblich vereinfacht, denn zum einen wurde die Zahl der passiven Bauelemente auf der Leiterplatte verringert. Zum anderen lassen sich die Bausteine per Software programmieren, sodass man keine Widerstände oder Kondensatoren auf der Platine mehr hinzufügen oder ändern muss.

Als letzte Herausforderung ist bislag die Abstimmung des auf einem PID-Filter beruhenden Kompensationsnetzwerks geblieben. Üblicherweise sind Entwickler von Leistungselektronik besser mit den mathematischen Grundlagen der analogen Kompensation vertraut, weshalb ST bis zum vergangenen Jahr eine grafische Benutzeroberfläche für eine pseudo-analoge Kompensation bereitstellte. Dabei berechnete die Software automatisch die vom Designer eingegebenen PID-Filterwerte.

In der neuen Generation von Gleichspannungswandlern hat ST nun auch diese letzte Hürde überwunden, sodass eine automatische Abstimmung (Autotuning) mittlerweile möglich ist. Die für die »VR13«-CPUs von Intel vorgesehenen Bausteine können sich mittels eines Software-Algorithmus‘, der von ST in Zusammenarbeit mit der Universität Udine entwickelt wurde, selbsttätig kompensieren. Dieses Feature beruht auf umfangreichen Matrizen- und Phasenberechnungen.

Funktion des Autotuning-Wandlers

Im Regelbetrieb erzeugt der Controller das Sinussignal mp, das dem Ausgang zugeführt wird. Das Ausgangssignal und die Feedback-Spannungen mx und my werden wieder eingelesen (Bild 1). Die Frequenz des Sinussignals ist gleich der vom Anwender vorgegebenen gewünschten Bandbreite. Ebenfalls vom Benutzer festgelegt wird die angestrebte Phasenreserve φm.

Bislang sieht es so aus, als könne das Verhalten dieses Systems mit einem Bode-Diagramm beschrieben werden. Dies trifft jedoch nur zum Teil zu. Ein solcherart beschreibbares System würde jetzt direkt das Verhältnis zwischen mx und my und ihre Phasendifferenz errechnen. Dies aber erfordert eine Menge Hardware und viel Rechenleistung und lässt sich nicht in einem einzigen Mikrochip unterbringen. Deshalb bedient sich der Wandler eines indirekten Konzepts.

Neben dem Signal mp erzeugt der Baustein auch die beiden weiteren Signale Vx und Vy (Bild 2), die Funktionen der gewünschten Phasenreserve sind. Auf mathematischem Weg lässt sich der Nachweis erbringen, dass mx und my im rechten Winkel zu Vx beziehungsweise Vy stehen, wenn die Gesamt-Übertragungsfunktion die vom Anwender vorgegebene Bandbreite und Phasenreserve aufweist. Der Kern des Wandlers berechnet die Projektion von mx auf Vx, bezeichnet als εx, sowie die Projektion von my auf Vy, genannt εy. Sowohl mx als auch my (und somit auch εx und εy) sind Funktionen der PID-Filterwerte.

Wie Bild 3 zu entnehmen ist, variiert der Controller die Werte des PID-Filters so lange, bis εx und εy null sind. Dies verlagert die Kompensation zum Zielpunkt, an dem die gewünschte Bandbreite und die angestrebte Phasenreserve vorliegen. In Bild 3 befindet sich der Zielpunkt dort, wo die blaue Gerade gleich 1 ist, weil die angestrebte Bandbreite dividiert durch die gemessene Bandbreite eins ergibt, und die orange Kurve -120 beträgt (in diesem Fall die Differenz zwischen gewünschter und gemessener Phasenreserve). Entscheidend an diesem Prozess ist, dass der mathematische Ansatz das Konvergieren der PID-Parameter als korrekt bestätigt.

Bisher galt das Abstimmen des Kompensationsnetzwerks unter den Leistungselektronik-Designern als eine Art Kunst, weil man hier auf Ausprobieren angewiesen war. Dieses Vorgehen nach dem iterativen Prinzip von Versuch und Irrtum ist tatsächlich eine Lösung, stellt aber eine unangenehme Aufgabe dar. Es liegt nahe, dass das Autotuning-Feature den Designprozess beschleunigen und die Markteinführungszeit des gesamten Projekts verkürzen kann.

Das während der Regelung erfolgende Autotuning dauert nur wenige Millisekunden und kann jederzeit von der Software angestoßen werden. Als weiterer Vorteil kommt deshalb die Tatsache hinzu, dass das Autotuning auch bei schon im Einsatz befindlichen Systemen in regelmäßigen Zeitabständen durchgeführt werden kann. Auf diese Weise lässt sich das Altern der Bauelemente ebenso berücksichtigen wie Toleranzen und Temperaturänderungen. So ist es möglich, dass ein Produkt über seine gesamte Einsatzdauer hinweg mit bestmöglichen Leistungsdaten arbeitet.

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Ericsson Digital Power Compendium

Das „Digital Power Compendium“ von Ericsson informiert über den Einsatz der Digitaltechnik in Stromversorgungen und über Ericssons neueste Leistungswandler.