Digital-Power-Entwicklungs-Kit mit 32-bit-XMC-Mikrocontroller Digitale Stromversorgung leicht gemacht

Digital-Power-Systeme gewinnen an Akzeptanz.
Digital-Power-Systeme gewinnen an Akzeptanz.

Die Stromversorgung wird digital. Mit der Einführung neuer Mikrocontroller gewinnen Digital-Power-Systeme an Akzeptanz. Ein Entwicklungs-Kit auf Basis der XMC-Architektur erleichtert den Einstieg in die digitale Stromversorgungswelt.

Das Schlagwort „Digital Power“ steht für die aktuelle Revolution bei der Entwicklung von Stromversorgungen, die mit neuen Design-Praktiken einhergeht. Dabei sind die Vorteile der digitalen Lastregelung ­gegenüber konventionellen Analog-Designs unbestritten: Die integrierte digitale Regelungs-Hardware ermöglicht kompaktere Systeme mit komplexeren Funktionen, einen höheren Wirkungsgrad insbesondere bei Laständerungen und geringen Lasten, höhere Leistungsdichten dank höherer Schaltfrequenzen und kleinerer Komponenten, präzise Regelung unabhängig von der Topologie, erhöhte Systemzuverlässigkeit und das Einbinden der Stromversorgungen in IoT-Konzepte bzw. Industrie 4.0. Dank der Fortschritte bei den Halbleiter-Technologien in den letzten Jahren sinken jetzt auch die Kosten von Digital-Power-fähigen Mikrocontrollern auf ein Niveau, wo sie nahezu vergleichbar mit analogen Lösungen sind. Dadurch gewinnen Mikrocontroller-basierte Digital-Power-Systeme immer mehr an Akzeptanz. Für einen einfachen Einstieg in die Entwicklung digitaler Stromversorgungen steht von Infineon nun ein spezielles Design Kit auf Basis der XMC-Mikrocontroller zur Verfügung.

Digital geregelte Stromversorgungen profitieren von Fortschritten bei modernen Mikrocontrollern und Mixed-Signal-Schaltungen. Leistungsfähige 32-bit-Mikrocontroller wie die XMC4000- und XMC1000-Familie bieten dafür nicht nur die entsprechende Rechenleistung, sondern auch integrierte Peripheriefunktionen wie A/D-Umsetzer, PWM-Einheiten, Komparatoren und Kommunikationsschnittstellen, die teilweise speziell mit dem Fokus auf Stromversorgungen entwickelt wurden (Bild 1). Die Mikrocontroller können vielfältige Leistungsfunktionen ausführen und ermöglichen so den Verzicht auf einen diskreten Controller-Chip. Auf Basis von MCUs wie XMC1000/4000 können digitale Stromversorgungen für unterschiedlichste Leistungswandler-Topologien programmiert werden, während Funktionen wie adaptive Schleifen-, Slope- oder Temperatur-Kompensation unterstützt werden.

Digital und flexibel

Digitale Stromversorgungen integrieren einen Mikrocontroller oder einen Digital Signal Controller (DSC) in ein vollständig programmierbares System. Durch die Digitalisierung können Funktionen realisiert werden, die sich mit analogen Schaltungen nur mit hohem schaltungstechnischem Aufwand und speziellem Analog-Know-how umsetzen lassen. Beispiele reichen von Ein- und Abschaltsequenzen und Hot-Swap-Fähigkeit über einen programmierbaren Soft-Start bis zum vollständig digitalen Aufbau der Gegenkopplungskreise und des Reglers.

Mit der Digitalisierung verringert sich auch der Platzbedarf der elektronischen Schaltung; die Integration auf dem Chip reduziert die erforderlichen zusätzlichen Bauelemente letztlich auf die induktiven Bauelemente (Transformatoren und Drosseln), Siebkondensatoren und Leistungsschalter (MOSFETs etc.). Die elektronische Schaltung kann zudem Zusatzfunktionen wie die fortlaufende Aufzeichnung relevanter Betriebsdaten übernehmen.

Die flexible, digitale Technologie erlaubt die Unterstützung aller gängigen Topologien mit einer MCU-Plattform, einschließlich Vollbrücken, Leistungsfaktorkorrektor (PFC), resonante LLC, DC/DC, AC/DC, Drei-Phasen-Umrichter etc. Aufgrund der MCUs mit integrierten analogen Peripherien können digitale Stromversorgungen präzise Regelungsfunktionen mit hochauflösenden Phasen-, Frequenz- und Duty-Cycle-Algorithmen ausführen. Die adaptive digitale Regelung kann schnell auf Leitungs- und Laständerungen reagieren und erhöht so den Wirkungsgrad. Die Regelungsmethode kann in Echtzeit angepasst werden.

Eine herkömmliche analoge Stromversorgung kann in der Regel nur für einen Arbeitspunkt auf den maximalen Wirkungsgrad hin optimiert werden; d.h., eine Änderung der Last geht mit einer Verminderung des Wirkungsgrades einher. Eine „intelligente“ digitale Stromversorgung kann auf solche Lastveränderungen reagieren, etwa durch eine Veränderung der Schaltfrequenz oder der Regelungsmethode. Sie kann auch auf externe Betriebszustände reagieren, z.B. auf drastische Temperaturschwankungen oder alterungsbedingte Abweichungen der Kondensatorwerte.

Aufgrund der vielfältigen Kommunikationsmöglichkeiten von MCUs können Systemzuverlässigkeit und -sicherheit von digitalen Stromversorgungen erhöht werden. Über Protokolle wie PMBus, I²C, SCI, SPI oder CAN lassen sich Monitoring- und Diagnose-Funktionen realisieren. Außerdem können über diese Kommunikationskanäle im Betrieb Software Updates durchgeführt werden, um beispielsweise Probleme zu beheben oder einen verbesserten Schleifen-Regelungsalgorithmus zu verwenden. Digital Power schafft außerdem die Voraussetzung für die Integration in IoT- bzw. Industrie-4.0-Systeme. Es ist nicht verwunderlich, dass die Marktforscher von IHS für digitale Stromversorgungen ein hohes Wachstum voraussagen. Während der weltweite Digital-Power-Markt 2013 noch mit ca. 2 Mrd. Dollar beziffert wurde, soll er bis zum Jahr 2018 auf etwa 11,8 Mrd. Dollar anwachsen, insbesondere getrieben vom Telecom/Datacom-Markt. Parallel dazu soll der Markt für Digital-Power-ICs von 2013 bis 2018 jährlich um durchschnittlich 50 Prozent wachsen und bis 2018 ein Volumen von ca. 3 Mrd. Dollar erreichen.

Digitale Leistungsregelung

Controller bzw. Regelschleifen in Stromversorgungen sollen grundsätzlich eine fest eingestellte Ausgangsspannung mit einer hohen Genauigkeit bei sich verändernden Lastbedingungen sowie Eingangsspannungen bereitstellen. Bei analogen Controllern besteht die Regelschleife hauptsächlich aus einem Verstärker, einem PWM-Generator, der Leistungsstufe sowie dem Rückkoppelpfad. Bei digitalen Stromversorgungen hingegen wird die Ausgangsspannung mittels A/D-Umsetzer digitalisiert, dann durch digitale Filter weiter verarbeitet, um dann die entsprechenden, eventuell angepassten PWM-Signale zum Ansteuern der Schalttransistoren zur Verfügung zu stellen. Die Digitalisierung und Verarbeitung der Daten muss praktisch in Echtzeit erfolgen. Daher muss der Controller bei hohen Schaltfrequenzen ausreichend schnell sein. Um auch bei hohen Frequenzen eine digitale Regelung erfolgreich einsetzen zu können, sind schnelle A/D-Umsetzer für eine schnelle Regelschleife mit einer hohen Regelgenauigkeit der Ausgangsspannung erforderlich.

Für eine präzise Regelung bei hohen Schaltfrequenzen muss auch das Tastverhältnis (Duty Cy­cle) mit hoher Genauigkeit einstellbar sein, ebenso die Einstellung der Totzeiten bei Halb- oder Vollbrückenanwendungen. Die XMC4000-Familie verfügt über spezielle PWM-Generatoren mit hoher Auflösung (High Resolution PWM). Mit 150 ps erreichen sie nahezu die gleiche Präzision wie Analog-basierte Lösungen. Diese hohe Auflösung war bisher theoretisch nur mit einer Taktfrequenz von 6,7 GHz möglich. Bei der genannten MCU-Serie erreicht man dank eines speziellen Designs die Auflösung von 150 ps mit einer 80-MHz-MCU.