Digital-Power-Controller-IC in der Stromversorgungs-Entwicklung Digitale vs. analoge ­Regelschleife

Die Entwicklung einer Stromversorgung und deren Steuerung können Digital-Power-Controller-ICs erleichtern.
Die Entwicklung einer Stromversorgung und deren Steuerung können Digital-Power-Controller-ICs erleichtern.

Entwickler von Stromversorgungen stellen sich diese Frage täglich: Analoge oder digitale Regelung? Digital-Power-Controller-ICs können die Entwicklung einer Stromversorgung und deren Steuerung im Betrieb erleichtern.

Die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung ist entscheidend für die Effizienz und Zuverlässigkeit eines Systems. In vielen Fällen erfährt die Stromversorgung aber leider nicht die Aufmerksamkeit, die sie verdient. Ob es sich nun um ein stromsparendes batteriebetriebenes Gerät handelt oder um ein größeres System, das am Netz betrieben wird – Systementwickler wenden sich meist anderen Problemen zu, nachdem die Aspekte Wirkungsgrad und Qualität abgehandelt wurden. Die Wirklichkeit ist natürlich viel komplexer. Stromversorgungs-Entwickler wissen, dass eine gute Stromversorgung oft viele und in sich widersprüchliche Ziele erfüllen müssen: flexibler Ausgang, dynamische Netz-/Last-Performance, großer Wirkungsgrad bei hoher und niedriger Last, Bauteiltoleranzen, Temperaturprobleme, Überwachungs- und Schutzvorrichtungen sowie Änderungen der Spannungs- und Stromanforderungen.

Die größte Herausforderung ergibt sich bei Stromversorgungen für Server, Datencenter und ähnliche Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf. Diese Leistungsanforderungen erstrecken sich nun auch in den Bereich mittlerer und kleiner Stromversorgungen.

Von analog zu digital

Um diese Anforderungen zu erfüllen, stehen viele innovative, rein analoge Topologien und Techniken zur Verfügung, darunter Mehrstufen-Regelung, POL-Wandlung (Point of Load), SEPIC (Single-Ended Primary-Inductance Converter), Constant-on-Time Control, Continuous Conduction und Discontinuous Conduction Mode (Bild 1). Trotz der Vorteile, die diese Designs bieten, erfüllen sie nicht immer die Anforderungen des heutigen Marktes.

Die hohe Komplexität dieser Designs und ihre Empfindlichkeit gegenüber unvermeidbaren Bauteiltoleranzen zeigen, dass sie ein Leistungsplateau erreicht haben. Eine weitere Einschränkung ist die feste, unveränderliche Hardware, sobald die Versorgung entwickelt wurde und in Betrieb ist. Immer mehr Hersteller entscheiden sich daher für eine digitale Regelung der Stromversorgung, kurz: Digital Power. Wie funktioniert die digitale Regelung einer Stromversorgung? Der Begriff „Digital Power“ kann für Verwirrung sorgen, da es sich weiterhin um einen analogen geschlossenen Regelkreis handelt, in dem einige Parameter nun aber digital geregelt werden.

So lässt sich z.B. die Ausgangsspannung anpassen, sobald der Controller feststellt, dass sich die Systembedingungen geändert haben. Wie beim rein analogen Ansatz liegt der Steueralgorithmus weiterhin in fester Hardware vor (Bild 2).

Eine echte digitale Regelung ist jedoch mehr als nur die digitale Überwachung der inneren analogen Regelschleife. Der Rückkopplungspfad ist dabei vollständig digital ausgelegt und beginnt mit der A/D-Umsetzung wichtiger Signale. Es folgt die digitale Signalverarbeitung in Hardware oder Software und die Ausgangssteuerung über D/A-Umsetzer. Da die Steuerung durch Algorithmen, die sich im Baustein befinden, ausgeführt wird, können diese auch während des Betriebs (on-the-fly) an eine veränderte Situation angepasst werden.

Zudem kann der Algorithmus bei Bauteiländerungen aufgrund von Temperaturschwankungen, Toleranz und Alterung angepasst werden. Die Toleranz einiger passiver Bauelemente wie Induktivitäten und Kondensatoren kann anfangs ±20 % und mehr betragen; außerdem sind Bauteile mit geringer Toleranz teuer oder nicht verfügbar. Für den Controller muss nicht länger eine Liste passiver und analoger Bauelemente in einem Design abgeglichen werden, in das zudem Toleranzen, Drift und andere Aspekte mit einbezogen werden müssen. Der neue Ansatz bietet dagegen eine Lösung, das Problem der Schleifenkompensation zu überwinden (siehe Kasten Die digitale Regelung).

Einige Entwickler meinen, das Wort „digital“ schließt einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor mit ein, der einen Applikationsblock betreibt. Sie denken, dass sich ein erfolgreicher Digital-Power-Controller durch einen Standard-Prozessor und Firmware ergibt. Diese Lösung ist in der Praxis jedoch nicht realisierbar (siehe Kasten Mikrocontroller oder dedizierte Lösung?).

Die digitale Regelung 

Ein großes Problem bei analogen Regelkreisen ist, dass Entwickler innerhalb der Pole und Nullstellen im Frequenzbereich arbeiten müssen, um die Stabilität zu wahren. Der ZL8800 bietet eine volldigitale, kompensationsfreie Regelschleife: Tritt ein Ereignis im System auf und die Ausgangskapazität ändert sich dynamisch, bleibt die Stromversorgung stabil und bietet ein schnelleres Transientenverhalten als mit einer analogen Regelschleife.

Der herkömmliche Ansatz, eine Stromversorgung zu stabilisieren, erfolgt über eine analoge Lösung mit fester Schaltfrequenz und Spannungs- oder Stromrückkopplung. Eine feste Schaltfrequenz sorgt für vorhersagbare Ströme in den passiven Energiespeichern (Induktivitäten und Kondensatoren), was deren Auswahl vereinfacht. Die Größe dieser Bauteile wird dann hinsichtlich der Ausgangsanforderungen wie Laststrom, Ausgangsspannungswelligkeit etc. angepasst. Die Herausforderung für den Entwickler ist die Stabilisierung der Regelschleife, sobald alle Stromversorgungsbauteile feststehen. Dieses Problem verschärft sich, wenn Abweichungen und eine Worst-Case-Analyse mit in Betracht gezogen werden. Damit ergibt sich oft ein Design, das Einbußen bei der Leistungsfähigkeit und Bandbreite aufweist, um die Stabilitätsanforderungen des Systems unter allen Betriebsbedingungen zu erfüllen.

Gerade bei der Wahl der Induktivität sind die Bauteiltoleranzen zu beachten. Diese Bauelemente weisen Abweichungen bei Strom, Temperatur, Schaltfrequenz und Zeitverhalten auf. Induktivitäten ohne Ferrit werden häufig verwendet; sie können allerdings bis zu 50 % über ihrem Nennstrombereich variieren und stellen damit bei der Optimierung eine Herausforderung dar. Ausgangskondensatoren weisen aufgrund von Temperaturänderungen, DC-Bias und Alterung ähnliche Abweichungen auf.

Die einzige Möglichkeit, eine stabile Regelschleife zu erhalten, ist die weitgehende Reduzierung der Systembandbreite. Das Transientenverhalten kann dann nur durch Überdimensionierung der Ausgangskondensatoren verbessert werden, um die schlechte Leistung der Regelschleife auszugleichen. Das Design nimmt dadurch mehr Platz auf der Leiterplatte ein und die Bauteilanzahl erhöht sich. Die vollständig digitale, kompensationsfreie Regelschleife des ZL8800 bietet hier eine Lösung für dieses Problem und sorgt zusammen mit der Leistungshalbleitertechnik und einer GUI-basierten Software für ein komplettes, digital geregeltes Stromversorgungssystem.