Schaltregler Digitale Stromversorgungen ohne Programmierkenntnisse entwerfen

Digital geregelte Stromversorgungen bieten eine höhere Flexibilität sowie erweiterte Funktionen gegenüber analog geregelten Stromversorgungen. Bei den ersten digitalen Stromversorgungen musste erheblicher Aufwand in die Programmierung eines Mikrocontrollers gesteckt werden. Häufig musste für die Entwicklung einer digitalen Stromversorgung zum Analogtechnik-Ingenieur auch ein Programmierer hinzugezogen werden - eine nicht immer einfache Aufgabe für das Projekt-Management, das die Fähigkeiten beider Fachrichtungen reibungslos einzubinden hat. Neue Schaltregler für digitale Stromversorgungen erfordern keine Programmierkenntnisse. Sie ermöglichen eine Schaltungsentwicklung sowie Konfigurierung des digitalen Schaltreglers anhand einer grafischen Benutzeroberfläche.

Nicht in jeder Anwendung ist eine digitale Stromversorgung auch immer die bessere. Analoge Signale müssen mit geeigneten Analog-Digital-Umsetzern erst digitalisiert werden, um sie anschließend digital verarbeiten zu können und dann wieder in analoge PWM-Signale umzusetzen. Dadurch sind digital geregelte Stromversorgungen aufwendiger und in der Regel auch teurer.

Digitale Regler bieten aber viele Vorteile im Vergleich zu analogen Regelschaltungen. Durch die Digitaltechnik können Funktionen einfach implementiert werden, welche in der Analogtechnik nicht möglich oder zumindest sehr aufwendig wären.

Bei digitalen Stromversorgungen gibt es zwei Abstufungen. Neben den hier beschriebenen voll-digitalen Stromversorgungen gibt es auch analoge Schaltregler mit erweiterten Funktionen, welche anhand von integrierter Digitaltechnik hinzugefügt werden (Bild 1).

Diese Schaltregler haben aber weiterhin eine analoge Regelschleife und nutzen die Digitaltechnik zur Kommunikation. Funktionen wie z.B. Länge eines Sanftanlaufs, dynamische Ausgangsspannungsanpassung oder Einschaltverzögerungen lassen sich hier einfach programmieren.

Zusätzlich können Zustände des Schaltreglers über die digitale Schnittstelle ausgelesen werden, wie beispielsweise „Power-Good“-Signale. Die eigentliche Regelschleife des Schaltreglers ist aber weiterhin in Analogtechnik ausgeführt.

Bei volldigitalen Stromversorgungen ist auch die Regelschleife digital ausgeführt (Bild 2). Das erfordert, dass alle relevanten analogen Signale in den Digitalbereich umgesetzt werden. Die digitale Regelung bietet erweiterte Möglichkeiten. Mit Digitaltechnik ist es möglich, die Regelschleifenanpassung für unterschiedliche Betriebsmodi unterschiedlich einzustellen.

Somit kann eine höhere Regelgeschwindigkeit bei gleichbleibender Regelschleifenstabilität erreicht werden. Außerdem kann mit Digitaltechnik, bei Schaltreglern mit mehreren parallelen Leistungspfaden oder wechselnder Stromflussrichtung in einem Transformator, wenn die Steuerung des Stromgleichgewichtes sehr wichtig ist, die Stromstärke in den Pfaden einfach symmetriert werden.

Selbst der Wirkungsgrad kann in manchen Betriebszuständen durch die digitale Regelung erhöht werden. Wenn eine Stromversorgung für hohe Leistung zeitweise mit niedriger Auslastung betrieben wird, kann beispielsweise die synchrone Gleichrichtung abgeschaltet werden, um Energie zu sparen.

Das ist möglich, da bei einer synchronen Gleichrichtung, die mit geringen Lastströmen betrieben wird, die Eigenstromaufnahme die Verlustleistung dominiert. Sie benötigt für die Ansteuerung der MOSFETs also mehr Energie, als mit den niedrigen RDS(ein) im Vergleich zu Dioden eingespart werden kann.

Mikrocontroller oder Zustandsmaschine

Digitale Stromversorgungen sind nicht neu. Seit vielen Jahren werden solche Schaltungen eingesetzt. Häufig werden hierfür Mikrocontroller oder andere Prozessoren verwendet. Wenn sie schnell genug arbeiten, können sie mit den entsprechenden Programmen die digitalen Datenströme von den eingesetzten Analog-Digital-Umsetzern verarbeiten und hieraus den Wert für das richtige Pulsbreitensignal (PWM-Signal) errechnen.

Solch eine digitale Stromversorgung bietet hohe Flexibilität. Unterschiedliche Analog-Digital-Umsetzer können ausgewählt und mit den passenden digitalen Recheneinheiten verknüpft werden. Auch kann die Programmierung sehr frei erfolgen.

Leider hat diese Flexibilität ihren Preis. Es müssen nicht nur die passenden Hardware-Komponenten gefunden werden, sondern die Software muss fehlerfrei und unter Berücksichtigung aller Eventualitäten stabil und zuverlässig funktionieren. Diese Aufgabe wird dadurch erschwert, dass der Entwickler der Stromversorgung zumeist kein Experte der Digitaltechnik oder gar Programmierer ist.

Somit müssen häufig Programmierer und Ingenieure der Analogtechnik gemeinsam an der Stromversorgung arbeiten. Bei dieser Tätigkeit ist die Schnittstelle zwischen diesen beiden Themengebieten kritisch und führt erfahrungsgemäß immer wieder zu Verzögerungen bis zur Fertigstellung der Schaltung.

Eine Lösung für dieses Problem kann ein alternatives Konzept sein, wie es Analog Devices z.B. mit dem ADP1046 anbietet. Dabei handelt es sich um ein digitales Regler-IC für volldigitale Stromversorgungen. Es besteht aus den passenden Analog-Digital-Umsetzern sowie einer Zustandsmaschine. Diese wurde für DC/DC-Wandler optimiert und kann mit Hilfe von Registereinstellungen konfiguriert werden.

Für die Entwicklung einer Stromversorgung muss also keine Software programmiert und verifiziert werden. Dies vereinfacht den Entwurf der Stromversorgung ungemein. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei Konfigurationsveränderungen keine Software neu qualifiziert werden muss, wie es in machen Anwendungen bei der Nutzung von Software notwendig wäre.

Die Zustandsmaschine des ADP1046 hat genügend Register zur Verfügung, um viele Funktionen für unterschiedliche Schaltreglerschaltungen zu verwirklichen (Bild 3). Die Konfiguration der Register muss nicht bei jedem Einschalten neu erfolgen. Als nichtflüchtiger Speicher ist ein EEPROM integriert, um eine autarke Funktion der Stromversorgung zu ermöglichen.