Digitale Stromversorgung

Wie funktioniert "digital power"?

Digitale Schaltregler setzen sich immer weiter durch. In diesem Artikel wird beschrieben, wie die Bausteine von Intersil Zilker Labs funktionieren und wo man sie sinnvoll einsetzt.

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Bild 1. Moderne Elektroniksysteme benötigen viele individuelle Versorgungsspannungen, die einzeln gesteuert und geregelt werden müssen. Die digitalen Power-Controller von Intersil verfügen zur „internen“ Kommunikation einen eigenen Bus, dem DDCBus.

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Bild 1. Moderne Elektroniksysteme benötigen viele individuelle Versorgungsspannungen, die einzeln gesteuert und geregelt werden müssen. Die digitalen Power-Controller von Intersil verfügen zur „internen“ Kommunikation einen eigenen Bus, dem DDCBus.

Aufgrund steigender Anforderungen an moderne Elektronikschaltungen wird die Entwicklung von Stromversorgungen immer aufwendiger. Moderne Schaltungen mit komplexen ICs, wie Mikrocontroller, DSP, FPGA, Speicher, etc. benötigen in der Regel mehrere Versorgungsspannungen. Häufig benötigt jeder Baustein sogar eine spezielle, individuelle Spannungsversorgung  (Bild 1).

Meist müssen diese Spannungen in einer gewissen Reihenfolge ein- und ausgeschaltet werden. Manche Mikrocontroller erlauben eine Reduzierung der Versorgungsspannung im Standby-Modus. Im Fehlerfall muss dafür gesorgt werden, dass fehlerhafte Kreise abgeschaltet werden, verschiedene Schaltungsteile aber weiterhin mit Spannung versorgt werden.

Um die immer komplexeren Anforderungen an ein modernes Netzteil besser und umfassender erfüllen zu können hat Intersil vor einigen Jahren die Firma Zilker Labs akquiriert, deren „Digital Power“-Controller-ICs zur Serienreife weiterentwickelt und in den Markt eingeführt. So ist heute ein breites Spektrum an „Digital Power“-Controllern verfügbar, u. a. Bausteine für hohe Leistungen, die mit externen FETs (ZL6100, ZL6105, ZL2008) arbeiten, sowie Bausteine mit internen FETs für Ströme bis 6 A (ZL2106, ZL2105).

Die Intersil Digital Power ICs sind per Registereinstellung konfigurierbar, so dass keine zusätzliche externe Beschaltung erforderlich ist. Das macht die digitalen Schaltregler preislich attraktiv, und durch die reduzierte Anzahl der Bauteile wird auch die Zuverlässigkeit der ganzen Schaltung erhöht.

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Bild 2. Je mehr Versorgungsspannungen ein Elektroniksystem braucht, um so wichtiger ist die zeitliche Steuerung beim Ein- und Ausschalten. Bei digitalen Power-Controllern lassen sich Reihenfolge und Anstiegsgeschwindigkeit per Software konfigurieren.

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Bild 2. Je mehr Versorgungsspannungen ein Elektroniksystem braucht, um so wichtiger ist die zeitliche Steuerung beim Ein- und Ausschalten. Bei digitalen Power-Controllern lassen sich Reihenfolge und Anstiegsgeschwindigkeit per Software konfigurieren.

Eine wichtige, programmierbare Funktion ist das Sequencing (Bild 2). Hierbei werden die einzelnen Versorgungsspannungen für ein System in einer bestimmten Reihenfolge ein- und wieder ausgeschaltet. Im Gegensatz zu einem analogen Schaltregler wird hier die Einschalt- und die Ausschaltsequenz festgelegt. Die Zilker Labs Controller von Intersil haben einen dedizierten Bus, DDC-Bus genannt, über den sie den jeweiligen Status, in dem sie sich befinden, an die anderen Bausteine an diesem Bus senden. Der Entwickler legt beim Sequencing die Reihenfolge, in der die einzelnen Schaltregler aktiviert werden, und auch die Anstiegsgeschwindigkeit der einzelnen Ausgangsspannungen fest.

Im Vergleich zu analogen Reglern können die digitalen Power-Controller über den PMBus (Power Management Bus, standardisiertes Protokoll, das auf I²C läuft) programmiert werden. Dies ist insbesondere für Hersteller von Schaltregler-Modulen interessant, da ein Modul ohne Lötarbeiten umkonfiguriert werden kann.

Der integrierte A/D-Umsetzer erleichtert im Vergleich zu analogen Schaltreglern zudem das Überwachen von Parametern, wie Spannung, Stromstärke, etc. Für diese Überwachungsfunktionen entstehen weder zusätzlicher Hardware-Entwicklungsaufwand noch Kosten für zusätzliche Komponenten. Über den vorher schon genannten PMBus können im laufenden Betrieb Messwerte für Ein- und Ausgangsspannung, Laststromstärke, Temperatur, Schaltfrequenz und das Tastverhältnis abgefragt werden.

Zum Zweck der Überwachung sind zwei weitere Funktionen in die digitalen Schaltregler von Intersil Zilker Labs integriert: Interrupt- und Snapshot-Funktion. Im Fehlerfall löst der Controller einen Interrupt aus, z.B. wenn ein Überstrom oder eine Unterspannung erkannt werden. Der Entwickler kann konfigurieren, wie der Controller auf jeden einzelnen Fehlerfall reagiert. Außerdem ist der Fehlerfall von außen über den PMBus ablesbar.

Noch einen Schritt weiter gehen die Signalisierungsmöglichkeiten mit den Warnhinweisen. So lassen sich z.B. zwei verschiedene Werte für Überspannungen einstellen. Beim Erreichen der unteren Spannungsgrenze wird nur eine Warnung ausgegeben, beim Erreichen der oberen Spannungsgrenze leitet der Controller die vorher festgelegten Maßnahmen ein. Die Snapshot-Funktion rettet, wenn ein Fehler zum Abschalten des Schaltreglers führt, die wichtigsten Parameter in den eingebauten Flash-Speicher. Zur Fehleranalyse können diese Daten ausgelesen werden.

Für hohe Stromstärken können mehrere digitale Schaltregler parallel geschaltet werden. Hierbei ist es wichtig, dass die Schaltregler zum gleichen Takt synchron laufen. Über den oben genannten DDC-Bus tauschen die einzelnen Controller untereinander Informationen aus, wer gerade wie viel Strom liefert und sorgen so dafür, dass der Laststrom gleichmäßig aufgeteilt wird. Die Phasenverschiebung der parallel geschalteten Regler ist über den PMBus programmierbar. Automatisches Abschalten einzelner Phasen bei niedrigem Laststrom und anschließendem Hinzuschalten bei steigendem Laststrom sind selbstverständlich einstellbar.

1. Teil: Wie funktioniert "digital power"?
2. Teil: Digitale Power-Controller mit Zusatzfunktionen

Weiterführende Links:

• Für erhöhte Eingangsspannungen: Dreipoliges DC/DC-Modul von ROHM
• Kompendium: Ericsson-Leitfaden informiert über Digital Power
• 3. Elektronik ecodesign congress
• 2. digital power congress