Digitales Powermanagement

Stromversorgungen dezentral per PMBus steuern

Immer mehr Versorgungsspannungsbereiche müssen gesteuert und überwacht werden, um komplexe Systeme optimal und energiesparend zu betreiben. Für die Kommunikation zwischen Powermanagement- Controller und den Spannungsquellen bietet sich ein digitaler Bus an: der auf dem I²C-Standard basierende Power Management Bus (PMBus). Mit entsprechenden Contoller-ICs lassen sich DC/DC-Wandler mit integriertem PMBus-Interface aufbauen oder gängige DC/DC- Wandler nachträglich um ein PMBus-Interface erweitern.

Die digitale Steuerung von Stromversorgungen vom PC aus per Schnittstellenkabel ist besonders während der Entwicklungsphase wertvoll - wenn es darum geht, ein System schnell aufzubauen und zum Laufen zu bringen. Weit über 20 Spannungspegel zur Versorgung eines komplexen Systems sind realistisch. Und der Entwickler muss die Höhe der Versorgungsspannungen einfach justieren, die einzelnen Spannungsquellen sequenziell ein- und ausschalten, Betriebsspannungsgrenzen setzen und Parameter wie Spannung, Stromstärke oder Temperatur auslesen können. Zusätzlich wäre im Fehlerfall ein Zugriff auf detaillierte Fehlerangaben vom PC aus über eine digitale Schnittstelle sinnvoll. Für solche Stromversorgungen ist eine hohe Genauigkeit wichtig, um die Spannungspegel exakt zu steuern und die maximale Leistung zu erzielen.

Der Arbeitspunkt und der Betriebszustand eines Spannungsreglers sind vielleicht die letzten verbleibenden Unbekannten in den heutigen, modernen elektronischen Systemen. Spannungsregler verfügen üblicherweise nicht über Funktionen, um aus der Ferne überwacht zu werden oder um Betriebsparameter per Software zu konfigurieren. Es kann für einen zuverlässigen Betrieb aber wichtig sein, dass die Spannungsdrift eines Reglerausgangs über der Zeit oder zusammen mit der Umgebungs-/Betriebstemperatur erfasst wird, um Gegenmaßnahmen ergreifen zu können, bevor die Abweichung einen Fehler verursacht.

Eine gut konzipierte „digitale“ Stromversorgung kann die Funktion jedes Spannungsreglers überwachen und den „Gesundheitszustand“ melden, z.B. an einen PC, so dass korrigierend auf den Spannungsregler eingewirkt werden kann, bevor er aus den Spezifikationen läuft oder gar Fehler auftreten.

Eine der großen Herausforderungen in Rechenzentren ist es, die Leistungsaufnahme insgesamt zu reduzieren und dafür den Arbeitsablauf neu einzuteilen, um Rechenschritte beliebig auf nicht ausgelastete Server zu übertragen. Damit wäre man dann in der Lage, in Schwachlastzeiten einige Server ganz abzuschalten.

Um diese Anforderung erfüllen zu können, ist es essenziell, den tatsächlichen Leistungsbedarf der Server im Rechenzentrum beim Endanwender zu kennen. Ein gut konzipiertes digitales Powermanagement-System kann den Server-Entwickler mit Daten über die Stromaufnahme versorgen, damit er Entscheidungen für ein „smartes“ Energiemanagement einplanen kann.  

Zum Schutz der Last

Um teure ASICs vor zu hoher Betriebsspannung zu schützen, müssen schnelle Komparatoren die Spannung jedes Ausgangs der Stromversorgung überwachen und sofort Schutzmaßnahmen einleiten, wenn einer der gemessenen Spannungswerte aus seinem spezifizierten Betriebsbereich fällt. In einer digital gesteuerten Stromversorgung kann der Host dann über die Alarmleitung des PMBus benachrichtigt werden, um die vom Fehler betroffenen Ausgänge abzuschalten und so die angeschlossenen Bausteine wie z.B. ein ASIC zu schützen. Um diesen Schutz wirkungsvoll zu realisieren, sind eine hohe Genauigkeit und schnelle Reaktionszeiten im Bereich einiger zehn Millisekunden nötig.

Das digitale Powermanagement wird eingesetzt, weil es exakte Informationen über den Betriebszustand einer Stromversorgung liefert und weil es autonom Dutzende unterschied- licher Ausgänge und Spannungspegel steuern und überwachen kann. Für diese Funktionen müssen Entwickler nicht eine einzige Zeile an Programmcode schreiben - ausgenommen, sie wollen, dass ihr Hostprozessor telemetrische Daten ausliest und einfache Fehlervorbeugungsmaßnahmen unternimmt.

Damit dies möglich ist, müssen Halbleiterhersteller kostengünstige digitale Powermanagement-ICs liefern können, die maßgeschneidert auf die jeweilige Anwendung in den einzelnen Zielmarktnischen sind. Digitale Powermanagement-ICs müssen aber auch einfach in eine Stromversorgung einzuplanen sein, damit sowohl Einsteiger als auch erfahrene Entwickler schnell zu einer funktionierenden digital gesteuerten Stromversorgung kommen. Linear Technology hat einige solcher „Digital-Power-ICs“ in seinem Angebot, z.B. den LTC3880.

1. Teil: Stromversorgungen dezentral per PMBus steuern
2. Teil: Schaltregler-IC mit PMBus-Interface
3. Teil: Digitales Powermanagement in einer realen Anwendung

Weiterführende Links:

• Mehr zum Thema digitales Powermanagement und digitale Regelung von Wandlern bietet der 2. Elektronik digital power congress am 12. Oktober 2011 in München.