Intermediate-Bus-Architektur Digitale Regelung sorgt für Effizienz

Systemwirkungsgrad ist der wichtigste Parameter für eine Stromversorgung. Das gilt auch für die Intermediate-Bus-Architektur. Kommt dort die digitale Regelung zum Einsatz, können Anwender komplexe Power-Management-Szenarien näher untersuchen und dabei signifikant Energie einsparen - und das wesentlich einfacher, als es früher der Fall war. Ein Beispiel dafür ist die dynamisch geregelte Busspannung.

Ab den 1990-er Jahren kamen Mehrfachstromversorgungen für unter 5 V und hohe Ströme auf, um vor allem ICs in Kommunikationsinfrastrukturen zu versorgen. Dies förderte die Einführung verteilter Stromversorgungsarchitekturen (DPA, Distributed Power Architecture). Eine klassische DPA besteht aus einem AC/DC-Frontend zur Wandlung der Netzspannung in eine Verteilerspannung (Stromschiene), über die eine Reihe isolierter DC/DC-Wandler im Brick-Format versorgt wird, von denen jeder eine Niederspannungslast versorgt. Dieses Modell führte zur heute gängigen Intermediate-Bus-Architektur (IBA), bei der ein isolierter DC/DC-Wandler, auch Bus-Wandler genannt, die Spannung der Verteilerschiene auf einen Intermediate-Bus-Wert herunterwandelt.

In einer zweiten Stufe der Abwärtswandlung stellen nicht isolierte PoL-Wandler (Point of Load) die für die Lastschaltkreise erforderliche Spannung bereit. Die zweistufige IBA-Abwärtswandlung bietet gegenüber dem einstufigen DPA-Modell einige Vorteile, unter anderem werden die Kosten für die Isolation eines jeden DC/DC-Wandlers eingespart. Die Forderung, die Ausgangsspannung des Frontend-Netzteils von 48 V (und dessen Toleranz von 36 V bis 75 V) in nur einem Schritt zu isolieren und gleichzeitig auf 3,3 V oder darunter abwärts zu wandeln, ist bezüglich Wirkungsgrad und Genauigkeit nur schwer zu realisieren, wenn eine bestimmte Leistung bereitgestellt werden soll.

Der zweistufige IBA-Ansatz entlastet einige Designanforderungen, da nun die Intermediate-Bus-Spannung lose auf einem mittleren Wert gehalten werden kann, der den PoL-Wandlern genügt, um den Laststrom genau auszuregeln. Analoge Intermediate-Bus-Wandler nutzen meist Pinstraps zum Setzen der Ausgänge bei etwa 12 V, um genügend Spielraum für die PoL-Wandler unter Worst-Case-Bedingungen zu haben. Dieses Modell eignet sich für Systeme, die dauerhaft nahe ihrer maximalen Leistung laufen.

Die Einführung dynamischer Leistungswandlungstechniken, die auf das Datenverkehrsaufkommen in Netzwerk-Infrastrukturen reagieren, lässt die Last stark schwanken. Dies beeinträchtigt die Wandlungseffizienz. Es sollte möglich sein, Energie einzusparen, indem die PoL-Regelung optimiert wird, sobald Laständerungen auftreten, ohne dabei die Leistungsfähigkeit des Intermediate-Bus-Wandlers zu beschneiden. Dies erfordert programmierbare Stromversorgungskomponenten, die eine Rückkopplung bieten, was wesentlich mehr Flexibilität bereitstellt als es bei analogen Wandlern der Fall ist.

Zu den Aspekten, die selbst bestentwickelte analoge isolierte DC/DC-Wandlermodule herausfordern, zählt der Abgleich des Wandlerwirkungsgrads, die Regelungsfunktion und die Leistungsdichte. Ein ¼-Brick-Wandler mit 204 W Ausgangsleistung stellt am Ausgang 12 V mit einer Regelgenauigkeit von ±2% und 94% Wirkungsgrad bei halber Last bereit. Das 204-W-Modul basiert auf einer isolierten Halbbrückentopologie mit sekundärseitiger Spannungsregelung, sodass der Wandler sich genau regeln lässt. Ein anderes Modell nutzt eine hart schaltende Vollbrückentopologie mit primärseitiger Spannungssteuerung, was die Ausgangsleistung priorisiert. Dieses Modul bietet den besten Wirkungsgrad zwischen 50% und 70% Volllast.

Digitale innere Regelschleife

Die Kombination einer Vollbrückentopologie mit einer sekundärseitigen Regelung, die in dieser Konfiguration nur schwer zu implementieren ist, führt bei der neuesten Produktgeneration zu einer digitalen inneren Regelschleife, mit der sich Wandler mit 396 W bei einer Regelgenauigkeit von ±2% und 96% oder mehr Wirkungsgrad realisieren lassen.

In Bezug zu den Vorgängermodellen sind die Wirkungsgradkurven dieses Wandlers flacher und sein effizienter Betriebsbereich erstreckt sich weiter in den Niederlastbereich. Darüber hinaus ist er programmierbar und stellt Betriebsparameter in Echtzeit zur Verfügung. Der digitale Regler nutzt einen A/D-Wandler, eine numerische Referenz, Addierer und digitale Filter anstelle von Fehlerverstärker, Rampengenerator, Komparator und ein Latch, mit der das Analogsystem das PWM-Signal moduliert.

Da das Digitalsystem Zahlen anstatt Werte passiver Bauelemente verwendet, um das Regelschleifenverhalten zu charakterisieren, lässt sich deren Betrieb in Echtzeit an die Lastbedingungen einstellen. Dies optimiert den Wirkungsgrad über einen wesentlich weiteren Bereich als bestentwickelte analoge Wandler. Da der digitale Regler auf einem Mixed-Signal-Halbleiterprozess basiert, lassen sich ein Mess- und Steuerungssystem sowie eine Kommunikationsschnittstelle zu vernachlässigbaren Kosten einbinden.

Die Integration des PMBus-Protokolls führt im Vergleich zu analogen Wandlern zu völlig neuen Funktionen - über einen einfachen vierdrahtigen Bus und einen Standardbefehlssatz lassen sich per Software Parameter wie Spannung, Strom und Chiptemperatur in Echtzeit erfassen. Außerdem kann die Software Parameter während des Betriebs (on the fly) programmieren, zum Beispiel die Ausgangsspannung ändern oder die Filterkonstanten modifizieren, welche die dynamische Leistungsfähigkeit des Wandlers festlegen.

Zu den weiteren programmierbaren Größen zählen die Power-Rail-Sequenzierung und die Steuerung der Anstiegsgeschwindigkeit, Schwellenwerte für Warnungen und Fehlerzustände sowie Fehlerbehebungsmaßnahmen, die - einmal programmiert - automatisch abgearbeitet werden. Ursprünglich für den Intermediate-Bus-Wandler entwickelt, gibt es nun ähnliche Leistungsmerkmale für verschiedene digital geregelte Point-of-Load-Wandler.