Entwickeln mit Digital-Power System optimal versorgt

Chips in modernen Hochleistungs-Computer-Subsystemen zu versorgen, bringt immer höhere Herausforderungen wie enge Toleranzen und oft sehr große Lastsprünge mit sich. Analoge Schaltregler eignen sich hierfür nurmehr eingeschränkt. Digitale Leistungsregler hingegen mit ihrem nichtlinearen Betrieb und ihrer dynamischen Phasenregelung sorgen für eine stabile Stromversorgung unter solch stark schwankenden Betriebsbedingungen.

Es hat sich herausgestellt, dass nur mehr eine digitale Stromversorgung die Anforderungen von Hochleistungs-Computer-Subsystemen erfüllt. Denn sie ist in der Lage, dem komplizierten und sich rasch ändernden Energiebedarf nachzukommen. Eine typische Anwendung für den Einsatz einer digitale Stromversorgung besteht aus einem oder mehreren Hochleistungsprozessoren, FPGAs oder ASICs, zusammen mit DDR-Speichern und mehreren I/O-Ports.

Die wichtigen Verarbeitungs- und Speicherbausteine im Subsystem können mehrere Spannungsregler (VRs, Voltage Regulators) enthalten, von denen einige möglicherweise spezielle digitale Schnittstellen wie beispielsweise VID (Voltage Identifier) oder I²C oder PMBus (Power Management Bus, Digital Power Technology) benötigen.

Bei der Entwicklung der Stromversorgung müssen auch die Auswirkungen von Faktoren wie Zusammenspiel und gegenseitige Abhängigkeiten zwischen Chips, Probleme bei der Ablauffolge (Sequencing) sowie beim Power-Management in Betracht gezogen werden. Und da die Prozessknoten bei den Halbleiterchips inzwischen im niedrigen Nanometerbereich angekommen sind, sind die Betriebsspannungen weiter gesunken und stellen somit höhere Ansprüche an Genauigkeit, Temperaturstabilität und Einschwingverhalten.

Angesichts derartiger Herausforderungen tun sich etablierte analoge Regelungstechniken zunehmend schwer, eine kontinuierliche, eng geregelte Stromversorgung aufrechtzuerhalten, während sich die Lastströme ständig und schnell über einen weiten Bereich verändern. Entwickler, die mit herkömmlichen Stromversorgungen arbeiten, müssen außerdem mit dem Druck kürzer werdender Markteinführungszeiten (Time to Market) fertig werden, sodass sie sich normalerweise stärker auf das Systemdesign und weniger auf die Energieversorgung konzentrieren müssen.

Auch Platzbeschränkungen auf der Leiterplatte beeinträchtigen die Möglichkeiten für den Entwickler, das Layout der Stromversorgung auf minimale Rauschempfindlichkeit hin zu optimieren. Digitale Leistungsregler können diese Probleme bewältigen. Sie ermöglichen eine kleinere Lösung als herkömmliche Controller und bieten gleichzeitig leistungsstarke Funktionen wie dynamische Korrektur, adaptives Ansprechverhalten und automatischen Abgleich. Damit können sie dazu beitragen, eine stabile Stromzufuhr über das gesamte Spektrum der Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten.

Zudem können Entwickler mithilfe von Online-Designwerkzeugen, mit denen sie diese neue Bausteingeneration auch konfigurieren, Performance- und diagnostische Informationen in Echtzeit über die Controller der Platine des Kunden sammeln. Bislang nutzten Entwickler zum Design ihrer analogen Regler möglicherweise eine Tabellenkalkulation oder technische Rechensoftware wie »Mathcad«, manchmal reichten sogar noch Papier und Bleistift.

Eine typische Designunterstützung für digitale Leistungsregler andererseits integriert sämtliche Werkzeuge in einer einzigen grafischen Anwenderschnittstelle (GUI, Graphical User Interface), um den Entwicklungszyklus zu beschleunigen und die Qualität des Designs zu verbessern. So lässt sich beispielsweise der Frequenzgang aufzeichnen, um die Stabilitätsanalyse zu unterstützen und einen raschen und genauen Vergleich mehrerer Simulationen zu erlauben und auf diese Weise die Optimierung zu erleichtern.

Mit der GUI kann der Entwickler nicht nur die Parameter einstellen und die Anwendung entwickeln, sondern er kann mit ihr auch den Status des Controllers in Echtzeit überwachen, wenn dieser auf dem Board des Kunden in Betrieb ist. Eingangs- und ausgangsseitige Spannungen und Ströme sowie Temperatur werden allesamt dynamisch gemeldet, einschließlich der individuellen Phasenströme.

Auch ein Fehlerzustand wird angezeigt, wodurch die Identifizierung und die Fehlerbehebung wesentlich rascher erfolgen können. Angesichts der Nachfrage beispielsweise nach zusätzlichen Kommunikationskanälen und mehr Funktionen innerhalb bewährter Formfaktoren steht den Entwicklern effektiv weniger Leiterplattenfläche zur Platzierung der Stromversorgungskomponenten zur Verfügung. Es wird immer schwieriger, unter Verwendung herkömmlicher Topologien ein optimales Layout zu erzielen. Eine digitale Stromversorgung hingegen benötigt weniger Komponenten, und das Layout ist weniger kritisch, weil das Design von Natur aus störungstoleranter ist.

Nichtlineare Regelung

Entwickler können außerdem die Vorteile von sinkenden Kosten der Stückliste (BOM) in Bezug auf externe Bauelemente nutzen, und sie können darüber hinaus durch Aktualisierung der Software die Designparameter verändern, anstatt ein Bauelement auf der Platine aus- und wieder einlöten zu müssen. Das Update wird über eine Verbindung wie I²C oder »Digital Power Technology« ausgeführt, die sich zur Überwachung des Controller-Status eignen.

Häufig lassen sich auch Bestandsdaten wie Modellnummer, Revisionsnummer sowie die Identifizierung des Herstellers auslesen. Eine digitale Stromversorgung liefert dadurch entscheidende Performance-Vorteile, dass nichtlineare Regelalgorithmen eingesetzt werden können - und dies zusätzlich zu der bewährten linearen Regeltechnik, wie sie in analogen Leistungsreglern Verwendung findet. Durch eine nichtlineare Regelung lassen sich zudem viele Parameter optimieren, welche die verschiedenen Bestandteile des Einschwingverhaltens beeinflussen (Bild 1).

So kann der Entwickler eine standardmäßige lineare Voltage-Mode-Regelung im stationären Zustand und bei kleinen Transienten wählen, jedoch einen nichtlinearen Adaptive-Transient-Algorithmus (ATA) für die Dauer irgendwelcher größerer transienter Ereignisse.

Der ATA ist eine nichtlineare Regelkreistechnik, die mithilfe der Amplitude und ihrer Flanke der überwachten Fehlersignale den Stromschritt vorhersagt und die Pulsbreite sowie die Phasenbeziehungen entsprechend regelt. Im Allgemeinen verbleibt die Stromversorgung nur für weniger als 10 µs und nur während großer Transienten in dieser Betriebsart. Der ATA lässt sich durch die für die Gerätekonfiguration und Überwachung verwendete GUI steuern. Auch kann der Entwickler verschiedene Teilbereiche des Ansprechverhaltens mithilfe von grafischen Tools einfach optimieren.

In Bild 2 stellt die graue Signalform einen digitalen Leistungsregler dar, der nur eine lineare Voltage-Mode-Regelung einsetzt. Über- und Unterschwingspitzen sind leicht sichtbar, wenn die Belastung auftritt oder wegfällt. Die magentafarbene Wellenform zeigt, wie eine nichtlineare Regelung unter denselben Belastungsschrittbedingungen die Über-/Unterschwingspitzen effektiv vermeidet.

Phasen dynamisch zu- und abschalten

Durch die digitale Leistungsregelung können Entwickler den Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich hinweg verbessern, vom energiesparenden Standby-Betrieb bis hin zur Volllast. Dazu kommt eine dynamische Phasenregelung mit digital skalierter Kompensation zum Einsatz, bei der Phasen hinzugefügt werden oder wegfallen, um auf wechselnde Anforderungen des Systems zu reagieren.

Analoge mehrphasige Spannungsregler erlauben normalerweise zwei Betriebsarten: Wenn alle Phasen eingeschaltet sind, ist der Wirkungsgrad bei maximalem Strom gut, während Einphasenbetrieb zur Optimierung des Wirkungsgrads bei minimalem Strom verwendet wird. Allerdings ist die Effizienz in den mittleren Strombereichen alles andere als optimal.

Ein Digitalregler ist in der Lage, voreingestellte Phase-add- und Phase-drop-Punkte zu unterstützen und dadurch sicherzustellen, dass bei einem gegebenen Ausgangsstrompegel die optimale Zahl von Phasen aktiv ist. Bei einem vierphasigen Regler zum Beispiel können die Drop-Punkte so programmiert werden, dass sie je nach Laststrom einen ein-, zwei-, drei- oder vierphasigen Betrieb zulassen (Bild 3).

Die größte Herausforderung beim Implementieren einer dynamischen Phasensteuerung liegt im Hinzufügen von Phasen, während ein Phasenabfall verhältnismäßig einfach vorgenommen werden kann. Ein schnelles Ansprechen ist hier generell nicht entscheidend. Im Gegensatz dazu muss das Hinzufügen von Phasen als Reaktion auf einen plötzlichen Lastsprung rasch erfolgen.

Ein guter digitaler Leistungsregler muss diesen Vorgang extrem schnell durchführen (im Nanosekundenbereich), und er muss die Phasen außerdem in der richtigen Reihenfolge einfügen, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung nicht unter die in der Spezifikation festgelegte Schwelle fällt. Die Phasen werden auf Basis der Flanke oder der Signalamplitude des Fehlersignals eingefügt, was ein nahezu verzögerungsfreies Ansprechen ermöglicht.

Entwickler sollten sich dabei stets vor Augen halten, dass ein ständiges Schwanken der Last den Controller dazu veranlassen könnte, ununterbrochen Phasen hinzuzufügen und abzuschalten. Unter einer derartigen Lastbedingung ist es besser, mehr Phasen weiterlaufen zu lassen, um ausgangsseitige Beeinträchtigungen zu minimieren.

Das lässt sich durch ein Phase-drop-Filter mit einem voreingestellten Grenzwert von beispielsweise 1,25 kHz und mehreren Ampere Hysterese erreichen. Auf diese Weise wird ein falscher Phasenabfall während schneller Transienten verhindert, und das System ist gegen »Phasenprellen« geschützt. Darüber hinaus sei daran erinnert, dass das Hinzufügen oder Abschalten von Phasen die Betriebsbedingungen verändert und folglich die Stabilität der Regelschleife beeinflusst.

Ein Digitalregler kann sämtliche unterschiedlichen Kompensationsparameter für jede Betriebsbedingung berechnen, speichern und sie entsprechend anwenden, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Bild 4 zeigt, wie ein Regler mit fünf Phasen praktisch auf demselben Stabilitätspunkt (Übergangsfrequenz und Phasenbegrenzung) arbeitet, unabhängig davon, wie viele Phasen gerade laufen.

Über die Autoren:

Ramesh Balasubramaniam ist Marketing Director im Geschäftsbereich Enterprise Power und Håkan Karlsson ist Field Application Engineer für Stromversorgungen, beide bei International Rectifier.