Digital Power Trotz dynamischer Last effizient

Die zunehmende Verbreitung digital geregelter Stromversorgungen (Digital-Power) im Bereich der Intermediate-Bus-Architektur vereinfacht die Umsetzung eines »intelligenten« Power-Managements. Wirtschaftliche und ökologische Aspekte unterstreichen das Energieeinsparpotenzial von Digital-Power vor allem bei nachfrageorientierten Systemen, die erhebliche Lastschwankungen aufweisen. Kernpunkt ist eine variable Intermediate-Bus-Spannung.

Revolution scheint die Verbesserung bei Schaltwandlern mit digitaler Regelschleife treffend zu beschreiben, wenn man diese mit den analogen Lösungen vergleicht, die eine jahrzehntelange Evolution hinter sich haben und sich damit nur noch schwer hinsichtlich Funktionsumfang und Leistung steigern lassen. Damit dieser digitale Ansatz konkurrenzfähig ist, muss er bei Produktneueinführungen allerdings deutlich besser sein als das analoge Pendant. Dies ist ein Grund, warum die Akzeptanz von Digital-Power im Markt so lange auf sich warten ließ.

Inzwischen können Halbleiterhersteller mittels Standard-Mixed-Signal-Prozessen Mess- und Regelungs-Subsysteme sowie Kommunikationsschnittstellen zusammen mit dem digitalen PWM-Controller-Core zu fast vernachlässigbaren Kosten in ICs integrieren. Dadurch sind nun Produkte möglich, die analogen Designs überlegen sind.

So verdoppelt beispielsweise Ericssons Intermediate-Bus-Wandler »BMR453« mit 396 W die Leistungsdichte im Vergleich zu analog geregelten ¼-Bricks. Darüber hinaus bietet die digitale Plattform eine Reihe programmierbarer Funktionen, zum Beispiel das Einstellen der Ausgangsspannung, Sequenzierungsverzögerung, Anstiegsraten und der Schwellenwerte für Fehlerzustände, in einem einzigen Programmierschritt. Außerdem lassen sich die Parameter der Stromversorgung im laufenden System dynamisch optimieren. Mit seiner SMBus-Hardwarebasis und einer Standard-Power-Control-Befehlssprache vereinfacht der PMBus die Untersuchung und Integration von Regelungsfunktionen, was mit analogen Wandlern nicht möglich ist. Außerdem ergeben sich damit neuartige Möglichkeiten, das Systemdesign zu verbessern. Bild 1 zeigt die wichtigsten Funktionen eines digital geregelten Buck-Wandlers.

Die innere digitale Regelschleife passt den Wandler an Leitungs- und Laständerungen in Echtzeit an und verringert Verluste mit Techniken wie der adaptiven Totzeit-Steuerung. Diese variiert die Zeit zwischen den Durchleitungsperioden der Leistungsschalter, um Kippströme (Shoot-Through) zu vermeiden. Bei einem Abwärtswandler ist beispielsweise die Durchleitungsperiode der verlustreichen Body-Diode im Lower-Sync-FET zu minimieren.

Durch dynamisches Optimieren der normalerweise fest eingestellten Parameter steigt der Wirkungsgrad mit zunehmender Abwärtsreglung und höheren Schaltfrequenzen immer stärker und kann dann um einige Prozentpunkte höher liegen.

Verglichen mit analogen DC/DC-Wandlern, die zwischen 50% und 70% der Volllast am effizientesten sind, zeigt das Ergebnis des BMR453 in Bild 2 eine flachere Wirkungsgradkurve. Diese ist von 10% der Volllast an nahezu flach und erreicht 96% Wirkungsgrad unter Volllast. Außerdem bleibt die Kurve bei verschiedenen Eingangsspannungswerten stabil.

Wichtig für Wandlerdesigns: Andere Wandler dieser Baureihe für weit unterschiedliche Leistungsstufen, die ein gemeinsames Core-Design aufweisen, zeigen nahezu identische Wirkungsgrade, was eine wesentlich größere Skalierbarkeit als bei Analogschaltkreisen ermöglicht.

Intermediate-Bus-Spannung variieren

Ein typisches Systemboard enthält einen Intermediate-Bus-Wandler (IBC), der die Spannung des Verteilerbusses auf einen Intermediate-Bus-Wert wandelt, den eine bestimmte Anzahl von Point-of-Load-Reglern (POLs) verwenden, um die letztendlichen Lastspannungen zu generieren (Bild 3). Eine Kaskadierung von DC/DC-Wandlern dieser Art ist vielleicht nicht der intuitivste Ansatz, um den Wirkungsgrad zu maximieren und die Bauteilanzahl zu minimieren.

Die Alternative ist die Isolation und Abwärtswandlung auf die eigentliche Versorgungsebene eines Bauteils, wie es beim klassischen DPA-Modell (Distributed Power Architecture) der Fall ist. Dies kann aber zu Problemen führen, da mehrere isolierte DC/DC-Wandler pro Board komplexer, teurer und weniger effizient sind als ein IBC und eine gleichwertige Ergänzung nichtisolierter Tiefsetzsteller sind. Aspekte wie der Ausgleich der Wandlungseffizienz, unbedingte Laststabilität und Transientenverhalten erschweren zudem die Handhabung des hohen Abwärtswandlungsverhältnisses, den Low-Voltage-Halbleiterprozesse in einem einzigen Schritt erfordern würden.

Die Abwärtswandlung von 48 V (DC) auf den optimalen Intermediate-Bus-Wert für POLs ist weiter schwierig zu spezifizieren. Trotz des Widerspruchs, dass sinkende Halbleiterspannungen größere Probleme bei der Abwärtswandlung für die POLs verursachen, eignen sich 12 V als Intermediate-Bus-Spannung, die ihren Ursprung in der Versorgung von 12-V/5-V-Bauteilen hat, ideal für Boards, die eine Leistung von 150 W oder mehr benötigen.

Aus Erfahrung zeigt sich, dass unter 150 W eine Spannung von 12 V nicht die geeignetste ist. Und unter 75 W ist diese keine realistische Option mehr. Hersteller wie Ericsson bieten IBCs mit einer Reihe voreingestellter Ausgangsspannungen, so zum Beispiel die 9-V-, 5-V- und 3,3-V-Optionen des »BMR453« und seiner 1/8-Brick-Derivate »BMR454« (Bild 4).

Voreingestellte Werte eignen sich gut für Systeme, die nur geringe Laständerungen aufweisen. Die Auswirkungen von stark nachfrageorientieren, also stark lastabhängigen Systemen sind aber offensichtlich: Für einen optimalen Wirkungsgrad muss die Intermediate-Bus-Spannung angepasst werden, sobald sich die Lastanforderung ändert.

Wie sich diese Strategie für ein Stromversorgungssystem am besten implementieren lässt, hängt von der Hardwarekonfiguration, dem Umfang der Laständerung und der zeitlichen Beanspruchung ab, die einigermaßen vorhersehbar ist. Diese Faktoren müssen nicht als gegeben hingenommen werden, da »intelligente« Algorithmen Energieverluste in unvorhersehbaren Umständen minimieren können, ohne dabei die Versorgungsstabilität zu beeinträchtigen. Dies ist schließlich das Ziel.

Einfache Regelungsstrategien reichen daher für die Überwachungs-/Regelsoftware im Allgemeinen nicht mehr aus, bei der die Verfügbarkeit der Leistung vordergründig ist und die doch schnelle Lastanstiege bewältigen können muss. Ein pragmatischer Ansatz zur Entwicklung von Überwachungs-Regelalgorithmen beginnt mit einem Referenzwert für den Leistungsverlust. Dabei zeichnet das System während des Betriebs die Ein- und Ausgangsspannung sowie die Stromwerte am IBC und an jedem POL über PMBus-Befehle auf.

Nach Möglichkeit überwacht und korreliert es jede On-Chip-Temperatur eines Wandlers. Während des Betriebs berechnet Anwendungssoftware die Leistungsverluste, bis ein Schwellenwert erreicht wird, der einen Optimierungszyklus startet und die Busspannung auf maximale Effizient trimmt. Die Routine überprüft immer zuerst das Risiko eines Überstroms und erhöht, falls erforderlich, die Busspannung auf sichere Werte. Bild 5 zeigt den Einfluss auf die Verlustleistung, wie er durch eine sich ändernde Intermediate-Bus-Spannung beim BMR453 entsteht - von Nulllast bis 300 W, wie sie bei heutigen dichtbestückten Systemboards auftreten kann.

Ein markanter Punkt entsteht dort, wo jede Kombination der Bedingungen zusammentrifft. Darüber oder darunter sorgen Änderungen der Busspannung für Energieeinsparungen, die weitere Einsparungen mit sich bringen: in begleitenden Baugruppen und in Kom-munikationsinfrastrukturen sogar über ganze Systeme hinweg, die parallel arbeiten, um ausreichend Netzwerkkapazitäten anzubieten. Man nennt dies den »Glühbirnen-Effekt« - einige Watt werden eingespart, indem energiesparende Lampen verwendet werden, was Verbrauchern ein gutes Gefühl vermittelt und deren Stromrechnung verringert. Die allgemeinen Auswirkungen auf den Energieverbrauch in der Gesamtheit sind jedoch enorm.

Software wird immer wichtiger

Wie bei jeder anderen Art programmierbarer Bauelemente ist der Entwicklungsaufwand für die physikalische Hardware für den Anwender unsichtbar. Anders bei der Softwareentwicklung, die für das Bauelement erforderlich ist. Hersteller investieren daher in Entwicklungsumgebungen, um die Applikationsherausforderungen zu vereinfachen. Die Qualität dieser Umgebungen ist für den Entwickler meist entscheidend bei der Bauteilauswahl. Dies trifft auch bei digitalen Leistungswandlern, PMBus-Regelung und Power-Management-Methoden zu, mit denen viele Entwickler nicht vertraut sind.

Um diese Themen für jeden mit einem PC und einer  Stromversorgung leicht zugänglich zu machen, bietet Ericsson ein Evaluierungskit an, das alle erforderlichen Hardware- und Softwarebestandteile zur Erforschung dieser Technik enthält. Dazu kommen Muster der digitalen IBCs und POLs des Herstellers sowie Software zur vollen Nutzung deren Funktionen. Die Plattform kann auch mit jedem PMBus-konformen Bauelement kommunizieren und einen langen Nachrichtenaustausch festhalten, was sich bei der Entwicklung und beim Debugging von realen Systemen bewährt.

Über den Autor:

Patrick Le Fèvre ist Marketing and Communications Director bei Ericsson Power Modules.