Stromversorgung Manager für acht Spannungen

Der Energiespartrend Abschalten der nicht benötigten Schaltungsteile, an Rechenleistungsbedarf angepasste Versorgungsspannung, individuelle Potentiale für ASICs, µC und FPGAs - führt dazu, dass immer mehr Versorgungsspannungen in einer Baugruppe verwaltet werden müssen. Hierfür bietet sich die Digitaltechnik an, um das Power-Management per Busverbindung einfach und flexibel zu realisieren.

Um eine große Anzahl unterschiedlicher Versorgungsspannungspegel sequenziell ein- und auszuschalten, zu messen, zu überwachen und die Energie bedarfsgerecht zu verteilen, wird ein digitales Power-Management benötigt. Das Power-Management lässt sich z.B. mit einem FPGA oder einem Mikrocontroller realisieren.Der Zeitaufwand, um die nötige Firmware zum Steuern und Überwachen der vielen Spannungsregler zu entwickeln, wird aber häufig unterschätzt.

Einfacher geht es mit einem genau auf die Aufgabe zugeschnittenen IC wie dem digitalen Power-Manager LTC2978 von Linear Technology, der bis zu acht Versorgungsspannungen sequenziell ein- und ausschalten, Spannung und Stromstärke messen, überwachen und trimmen sowie die Energie aufteilen kann. Für Systeme mit mehr als acht Betriebsspannungen lassen sich mehrere LTC2978 kaskadieren (Bild 1). Der LTC2978 verwendet die Befehle und das Protokoll des Power- Management-Bus-Standards (PMBus), um die Entwicklung der Firmware zu vereinfachen. PMBus - eine Erweiterung des I²C-Bus-kompatiblen SMBus-Standards (Smart Battery Bus) - ist ein offener und weit verbreiteter Standard, der die Protokolle für das digitale Power-Management von einzelnen POL-DC/DC-Wandlern klar definiert. Der LTC2978 unterstützt eine große Anzahl der PMBus-Befehle sowie auch einige herstellerspezifische Befehle für DC/DC-Wandler.

Die wichtigsten Eigenschaften des LTC2978 sind jedoch die integrierte Präzisionsreferenz und der 15-bit-Sigma-Delta-A/D-Umsetzer, der das Messen und Einstellen der Spannungen mit einem Fehler von ±0,25 Prozent ermöglicht. Für die Konfiguration des LTC2978 bietet Linear Technology kostenfrei das PC-Programm „LTpowerPlay“ an. Über das Programm mit grafischer Bedienoberfläche kann der Entwickler den LTC2978 in der Baugruppe konfigurieren und programmieren. Für die Verbindung zum Rechner sorgt ein USB-zu-PMBus-Gateway. Ist der Baustein einmal konfiguriert, kann der Entwickler die Parameter in einer Datei ablegen. Die Konfigurations-Datei kann später in die eigene Fertigung, an einen externen Auftragsfertiger oder zu einem autorisierten Distributor geschickt werden, um die in der Serienproduktion zu verarbeitenden LTC2978 zu programmieren. Mit „LTpowerPlay“ lassen sich auch künftige, digitale Power-Management-IC von Linear Technology konfigurieren.

Präzises Testen der Toleranzweite

Das Testen des Betriebsspannungsbereiches ist ein effektives Hilfsmittel zum Aussondern von „Frühausfällen“ bei hochzuverlässigen Systemen. Üblicherweise werden beim Test die Betriebsspannungen über einen Bereich von mindestens ±5 Prozent verändert, um sicherzustellen, dass das getestete System robust genug ist, um auch im späteren Einsatz zuverlässig zu funktionieren. Abhängig von den Toleranzen des Systems kann diese Testmethode jedoch dazu führen, dass eine erhebliche Zahl an Baugruppen als fehlerhaft eingestuft wird. Dabei würden viele dieser als fehlerhaft eingestuften Prüflinge tadellos funktionieren, wenn die Toleranzen der fraglichen Versorgungsspannungen enger gewesen wären.

Der LTC2978 bietet die Möglichkeit, die Toleranzen enger zu setzen und so die Fertigungsausbeute zu erhöhen. Mit einem einfachen I²C-Befehl, zum Trimmen einer bestimmten Spannung oder zum Einstellen der Toleranzweite, justiert der LTC2978 einen POL-DC/DC-Wandler (Point Of Load) innerhalb der vorgeschriebenen Soft- und Hardware-Grenzen, um die geforderte Ausgangsspannung mit einem Fehler von ±0,25 Prozent zu liefern. Für die Spannungseinstellung verfügt der LTC2978 über acht D/A-Umsetzer mit einer Auflösung von 10 bit. Der Ausgang eines D/A-Umsetzers wird über einen Widerstand mit dem Gegenkopplungsknoten oder dem Trimmeingang des POL-DC/DC-Wandlers verbunden. Der Wert dieses Widerstands begrenzt den Bereich, über den später die Ausgangsspannung verändert werden kann. Diese Begrenzung durch Hardware ist eine wichtige Sicherheitsfunktion für Stromversorgungen, die per Software gesteuert werden.

Flexible Ablaufsteuerung

Viele traditionelle Schaltungen zum sequenziellen Einschalten der Stromversorgung basieren auf Komparatoren. Dies mag für eine Handvoll zu steuernder Betriebsspannungen noch relativ einfach zu implementieren sein. Sind aber mehr Betriebsspannungen einzuschalten, dann wird diese Methode schnell kompliziert. Für ein sequenzielles Abschalten ist die Verwendung solcher Komparatorschaltungen nicht ganz leicht. Außerdem ist eine solche in Hardware realisierte Ablaufsteuerung sehr unflexibel, etwa dann, wenn sich Spezifikationen ändern.

Der LTC2978 vereinfacht das sequenzielle Ein-/Ausschalten für eine beliebige Anzahl von Betriebsspannungen. Mit einem zeitbasierten Algorithmus können die Betriebsspannungen in beliebiger Reihenfolge ein- und ausgeschaltet werden (Bild 2). Dies funktioniert sogar mit mehr als acht Betriebsspannungen, wenn mehrere LTC2978 kaskadiert zusammenarbeiten - völlig unabhängig davon, welcher LTC2978 gerade die Steuerung übernimmt. Es können sogar später noch weitere LTC2978 hinzugefügt werden, ohne dass man sich Gedanken über Systemeinschränkungen wie z.B. die begrenzte Zahl von Steckverbinder-Anschlüssen einer Tochterkarte machen muss.

Die Einschaltsequenz kann von vielen Bedingungen initiiert werden. Der LTC2978 kann z.B. eine automatische Sequenz starten, wenn die Zwischenkreisspannung zur Versorgung der POL-DC/DC-Wandler einen bestimmten Schwellwert übersteigt. Alternativ kann das sequenzielle Einschalten der Betriebsspannungen auch von einer steigenden oder fallenden Flanke am Steuereingang des LTC2978 ausgelöst werden. Die Ein-Sequenz lässt sich aber auch mit einem einfachen I²C-Befehl starten.

Der LTC2978 erlaubt jede Kombination dieser Bedingungen. Das sequenzielle Einschalten kann im Fehlerfall für einen oder mehrere Kanäle abgebrochen werden, z.B. wenn ein Kurzschluss auftritt. Hat eine Betriebsspannung den Nennpegel erreicht, ist die Unterspannungsüberwachungsfunktion aktiv. Die Überspannungsüberwachung ist immer aktiv. Alle Schwellwerte und Reaktionszeiten der Unter- und Überspannungsfunktionen sind programmierbar. Zusätzlich überwacht der LTC2978 auch Eingangsspannung und Temperatur. Dem Entwickler steht eine Vielzahl an Fehlerre- aktionen zur Auswahl, die signalisieren, wenn eine dieser Eigenschaften ihren oberen oder unteren Grenzwert über- oder unterschreitet. Ein im IC integrierter Watchdog Timer kann externe Mikrocontroller überwachen. Er verfügt über zwei Zeitintervalle. Dies erlaubt es, ein längeres Überwachungsintervall für den Mikrocontroller zu spezifizieren, das sofort startet, nachdem „Power Good“ signalisiert wurde.