"Intelligente" Stromwandlung - der neueste Stand Langsam kommt’s in Schwung

»Intelligenz« war vor einem Jahr das Schlagwort der Stromversorgungsbranche. Branchenexperten und Marktanalysten schienen darin übereinzustimmen, dass die Zukunft der digitalen Stromverwaltung gehört, und mehrere führende Stromversorgungshersteller kündigten digital programmierbare Produkte an. Dieser Artikel beschreibt einige der neuesten Entwicklungen in diesem Bereich und versucht, eine mittelfristige Richtung aufzuzeigen.

»Intelligenz« war vor einem Jahr das Schlagwort der Stromversorgungsbranche. Branchenexperten und Marktanalysten schienen darin übereinzustimmen, dass die Zukunft der digitalen Stromverwaltung gehört, und mehrere führende Stromversorgungshersteller kündigten digital programmierbare Produkte an. Dieser Artikel beschreibt einige der neuesten Entwicklungen in diesem Bereich und versucht, eine mittelfristige Richtung aufzuzeigen.

Entwicklungen bei der AC/DC- und DC/DCWandlung haben sich traditionell hauptsächlich auf die Verringerung der Kosten und der Stellfläche bei gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrads und Erhöhung der Stromdichte konzentriert. Daneben entstand die Notwendigkeit, sich an immer niedrigere Betriebsspannungen und höhere Stromanforderungen von Halbleitern anzupassen. In den letzten Jahren war ein zusätzliches Entwicklungsziel die Steigerung des Funktionsumfangs auf Systemebene durch Integration von mehr »Intelligenz« – vor allem für Konfigurations-, Steuerungs- und Überwachungsfunktionen – um Benutzern zu helfen, die Gesamtkosten ihrer Produkte zu verringern.

Anfangs wurde viel Anstrengung auf den Bereich der digitalen Kommunikation verwandt; verschiedene Busstandards wetteiferten um die Pole-Position. Da jedoch ein branchenweiter Konsens fehlte, entwickelten verschiedene Stromversorgungshersteller unterschiedliche Lösungen, was zu proprietären Architekturen und Software führte. Deshalb initiierten Astec Power und Artesyn Technologies im Oktober 2004 zusammen mit sechs führenden Halbleiterherstellern das PMBus-Protokoll mit der ausdrücklichen Absicht, die Beschränkungen proprietärer Stromlösungen und der damit verbundenen restriktiven Lizenzvereinbarungen zu überwinden.

PMBus ist ein digitales Stromverwaltungsprotokoll mit einem echten offenen Standard, das den Transport, die physikalische Schnittstelle und die Befehlssprache vollständig definiert, die für die Kommunikation mit Stromversorgungen und Wandlern erforderlich sind. Im März 2005 wurde die Revision 1.0 des Protokolls der Öffentlichkeit präsentiert, und das Eigentum daran dem »System Management Interface Forum« (www.powerSIG.com) übertragen, einer unabhängigen Special Interest Group (SIG), die für die Weiterentwicklung und Vermarktung des Standards zuständig ist. Seit April 2006 steht die Revision 1.1X2 zur Verfügung.

Die Akzeptanz des PMBus- Standards steigt weiter – bisher wurde er von 30 der Stromversorgungs- und Halbleiterherstellern übernommen. Zuletzt kündigte Intel im September 2006 an, der PMBus-Organisation beizutreten, in der Überzeugung, PMBus sei die beste Strom- und Wärmeverwaltungsschnittstelle, und weil das Unternehmen dazu beitragen will, den Standard zur Unterstützung aller Anforderungen des Unternehmensrechenzentrums zu fördern.

Da solche Chips nun allgemein verfügbar sind, sollte die Anzahl »intelligenter« Stromwandlungsprodukte jetzt ebenfalls wachsen, obwohl die Marktakzeptanz relativ langsam erfolgt. AC/DC-Stromversorgungen setzen in der Tat seit ziemlich vielen Jahren digitale Schnittstellen für Überwachungs- und Berichtsfunktionen ein. Beispielsweise verwenden viele Versorgungen für Serveranwendungen das PSMI (Power Supply Management Interface) für Funktionen wie Spannungs-, Strom-, Temperatur- und Lüfterüberwachung. Da das PSMI bereits den SMBus für die Kommunikation nutzt, ist die Migration in Richtung PMBus-basierte Steuerung eine natürliche Weiterentwicklung. Außerdem lässt sich so der Einsatz der digitalen Steuerung über die reine Überwachung hinaus zur Integration einer aktiven Verwaltung des Stroms durch das Hostsystem implementieren. AC/DCStromversorgungen beginnen auch, vermehrt digitale Schnittstellen für Konfigurations- und Setup-Prozesse zu nutzen. Zum Beispiel erfolgt die Programmierung der Konfiguration bei der »iMP«-Serie von Astec Power auf Basis des PMBus.

Digital programmierbare Stromversorgungen und Wandler werden zurzeit immer noch als teurer wahrgenommen als ihre weniger flexiblen analogen Verwandten. Hersteller haben Probleme, zu erklären, dass dies ein Missverständnis ist, das auf Produkten früherer Generationen und unvollständiger Analyse der Stromkosten auf Systemebene basiert. Richtig eingesetzt können die fortschrittlichen Steuerungsfunktionen auf Systemebene, welche die neuesten »intelligenten« Stromquellen bieten, tatsächlich die gesamten Systemkosten verringern.

In der Branche gibt es immer noch einige Diskussionen über Pin-out-Standards für digital gesteuerte DC/DC-Wandler im Brick- Format. Die Unterbringung der zusätzlichen Signalleitungen ist bei einigen der kleineren Formfaktoren eine Herausforderung, denn die Hersteller müssen zusätzlich dafür benötigten Platz finden. Besonders in 1/16- Bricks ist das schwierig zu realisieren.

Digitale Steuerung wird länger als erwartet brauchen, um ein beherrschender Faktor bei Stromwandlungsprodukten zu werden. Branchenanalysten sagen voraus, dass das Wachstum bei »intelligenten « Stromwandlungsprodukten jetzt ernsthaft beginnt. Bild 2 zeigt drei Prognosen für das Wachstum bei digitalen Steuerungen. Selbst die konservativste sagt voraus, dass sie bis 2010 wahrscheinlich 40% des Gesamtmarkts ausmachen. Diese Wachstumszahlen gelten für AC/DC-Stromversorgungen und telekomspezifische DC/DC-Wandler, aber es wird prognostiziert, dass übliche isolierte DC/DCWandler im Brick-Format ebenfalls eine ähnliche Entwicklung erleben werden, wobei der digitale Bereich bis 2010 zwischen 35% und 65% des Marktes ausmachen wird.

Autor:

Dr. Conor Quinn ist Director of Technical Marketing und

Geof Potter ist Vice President für den Bereich DC-DC Advanced Technology bei Emerson Network Power

Artesyn Technologies
Telefon 0 03 53/24 25 38 8
www.artesyn.com

Die Transportebene des PMBus basiert auf Version 1.1 des kostengünstigen SMBus (System Management Bus), der eine robustere Version des seriellen I2C-Busses nach Branchenstandard mit Paketfehlerüberprüfung und Host-Benachrichtigungsfunktion darstellt. Neben den Takt-, Daten- und Interrupt- Leistungen des SMBus spezifiziert das PMBus-Protokoll auch zwei fest verdrahtete Signale für die Verwendung mit Stromwandlern: ein Steuerungssignal, das zusammen mit den über den Bus erhaltenen Befehlen verwendet wird, um einzelne Slave-Geräte ein- und auszuschalten, sowie ein optionales »Schreibschutz«- Signal, mit dem sich Änderungen an den Speicherdaten verhindern lassen. Eine typische Implementierung ist in Bild 1 dargestellt.

Das SMBALERT-Signal ermöglicht es Slave-Geräten, den Systemhost/Busmaster zu unterbrechen. Diese Anordnung ist von Natur aus flexibler als ein System, das den Master nutzt, um ständig Slave-Geräte abzufragen. Außerdem ist die Last auf dem Host-Prozessor geringer, was es Entwicklern erleichtert, ereignisgesteuerte Steuerschemata mit geschlossenem Kreislauf zu implementieren. Außerdem schreibt das PMBus-Protokoll vor, dass alle Slave- Geräte entweder ihre Standardkonfigurationsdaten im nichtflüchtigen Speicher ablegen oder Pin-Programmierung verwenden müssen, sodass sie ohne Buskommunikation hochfahren können. Daher sind die Zeiten für den Systemstart erheblich kürzer als bei anderen digitalen Steuerungslösungen auf dem Markt, die es erfordern, dass der Busmaster alle Slave-Geräte als Teil der Initialisierungsroutine beim Hochfahren konfiguriert.