MCU-basierte Digital-Power-Systeme Zutaten für moderne Stromversorgungen

Steigende Anforderungen an Wirkungsgrad und Leistungsdichte sprechen für digital geregelte Stromversorgungen. Mit an Bord: Hochvolt-Leistungs-MOSFETs, Dioden und Controller und PWM/Resonanz sowie Niedervolt-MOSFETs oder Dioden. MCU-basierte Digital-Systeme gewinnen dabei immer mehr an Akzeptanz.

Ein modernes System zur Leistungswandlung wie ein Schaltnetzteil (SMPS) besteht grundsätzlich aus einer Energiequelle, einer Leistungsschaltung (meist mit Transistor) und aus Steuer- oder Regelfunktionen. Für jede SMPS-Leistungsstufe spielen Leistungs- und Logikkomponenten auf Halbleiterbasis eine fundamentale Rolle.

Heute geht der Trend in der Leistungselektronik von einem »bausteingetriebenen« Ansatz weg hin zu einem mehr »applikationsorientierten« Szenario in einer Systementwicklungsumgebung. Dies basiert in Wesentlichen darauf, dass moderne Halbleiter mit entsprechenden Leistungsklassen für nahezu alle gängigen Anwendungen verfügbar sind. Leistungsbauelemente, Treiber-ICs, analoge und digitale Controller sind fundamentale Bestandteile eines Stromversorgungssystems. Bild 1 zeigt die typische 3-stufige Struktur eines AC/DC-Schaltnetzteiles für Server.

Digitale Leistungsregelung

»Digital Power« steht für die aktuelle Revolution bei der Entwicklung von Stromversorgungen, die mit neuen Designmethoden einhergeht. Dabei sind die Vorteile der digitalen Lastregelung gegenüber konventionellen Analogdesigns unbestritten: Die integrierte digitale Regelungshardware ermöglicht kompaktere Systeme mit komplexeren Funktionen, höhere Wirkungsgrade (insbesondere bei Laständerungen und geringen Lasten), höhere Leistungsdichten infolge höherer Schaltfrequenzen und dadurch kleinere Komponenten (z. B. Spulen), eine lastgesteuerte dynamische Anpassung von Steuerungsalgorithmen, höhere Systemzuverlässigkeit und die Einbindung der Stromversorgungen in Konzepte für IoT oder Industrie 4.0. Mikrocontroller-basierte Digital-Power-Systeme gewinnen daher zunehmend an Akzeptanz.

Während digitales Power-Management die Leistungsfähigkeit auf Systemebene steigert, kann mit digitaler Regelung der Wirkungsgrad auf Konverterebene über den gesamten Lastbereich optimiert werden. Das geschieht durch die Implementierung adaptiver, lastabhängiger Regelungsalgorithmen oder Phasenabschaltung in Interleave-Strukturen, um möglichst flache Wirkungsgrad-Verläufe zu erhalten. Außerdem werden bei der digitalen Regelung Überwachungs- oder Schutzeigenschaften von der Hardware auf die Software verlagert.

Digital geregelte Stromversorgungen profitieren von Fortschritten bei modernen Mikrocontrollern und Mixed-Signal-Schaltungen. Leistungsfähige 32-bit-Mikrocontroller, z. B. aus den Familien XMC4000 und XMC1000, bieten dafür nicht nur die Rechenleistung, sondern auch integrierte Peripheriefunktionen wie A/D-Wandler, PWM-Einheiten, Komparatoren, intelligente D/A-Wandler und Kommunikationsschnittstellen, die teilweise speziell mit dem Augenmerk auf Stromversorgungen entwickelt wurden (Bild 2). Die Mikrocontroller führen vielfältige Leistungsfunktionen aus und ermöglichen so den Verzicht auf einen diskreten Controller-Chip.

Digital heißt flexibel

Wegen der Digitalisierung können Funktionen realisiert werden, die sich mit analogen Schaltungen nur mit hohem schaltungstechnischen Aufwand und speziellem Analog-Know-how umsetzen lassen. Beispiele reichen von Ein- und Abschaltsequenzen oder der Hot-Swap-Fähigkeit über einen programmierbaren Softstart bis zum vollständig digitalen Aufbau der Gegenkopplungskreise und des Reglers.

Mit der Digitalisierung verringert sich auch der Platzbedarf. Die Integration auf dem Chip reduziert die zusätzlichen Bauelemente letztlich auf die induktiven Bauelemente (Transformatoren und Drosseln), Siebkondensatoren und Leistungsschalter wie MOSFETs. Der Mikrocontroller kann dabei auch Zusatzfunktionen wie die fortlaufende Aufzeichnung relevanter Betriebsdaten übernehmen.

Die flexible, Digitaltechnik erlaubt die Unterstützung aller gängigen Topologien einschließlich Vollbrücken, Leistungsfaktorkorrektor (PFC), resonante LLC, DC/DC, AC/DC, Drei-Phasen-Wechselrichter und dergleichen. Wegen neuer schneller MCUs mit integrierter analoger Peripherie können digitale Stromversorgungen präzise Regelfunktionen mittels hochauflösende Phasen-, Frequenz- und Duty-Cycle-Algorithmen ausführen. Die adaptive digitale Regelung kann schnell auf Leistungs- und Laständerungen reagieren und erhöht so den Wirkungsgrad auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen.

Eine herkömmliche, analoge Stromversorgung kann in der Regel nur für einen Arbeitspunkt auf den maximalen Wirkungsgrad hin optimiert werden; d. h., eine Änderung der Last geht mit eine Verminderung des Wirkungsgrades einher. Eine »intelligente« digitale Stromversorgung kann hingegen auf solche Lastveränderungen in Echtzeit reagieren, etwa durch eine Veränderung der Schaltfrequenz oder der Regelungsmethode.

Für eine präzise Regelung bei hohen Schaltfrequenzen muss das Tastverhältnis mit hoher Genauigkeit einstellbar sein. Auch eine sehr genaue Einstellung der Totzeiten bei Halb- oder Vollbrückenanwendungen ist nötig und erfordert schnelle PWM-Generatoren. Die XMC4000-Familie verfügt über spezielle PWM-Generatoren mit hoher Auflösung (High Resolution PWM). Die Auflösung von 150 ps war bisher theoretisch nur mit einer Taktfrequenz von 6,7 GHz möglich. Bei der XMC4000-Familie erreicht man mit einem speziellen Design die 150 ps bereits mit einer 80-MHz-MCU.

Digitale Regelarchitektur

Der Aufbau einer typischen digitalen Regelungsarchitektur ist in Bild 3 dargestellt. Die Abtastung erfolgt ähnlich wie bei einem analogen System, jedoch ersetzt ein A/D-Wandler den analogen Fehlerverstärker und wandelt die abgetastete Spannung in einen digitalen Wert um. Neben der Ausgangsspannung können auch andere analoge Parameter wie Ausgangsstrom und Temperatur von getrennten A/D-Wandlern erfasst werden, oder aber von einem einzigen A/D-Wandler, dem ein Multiplexer (MUX) vorgeschaltet ist.

Im Vergleich zur analogen Regelung ist die digitale Regelung bei Änderungen der Netz- und Lastzustände flexibler. In analogen Systemen ist auch die Kompensation der Rückkopplungsschleife ein Kompromiss zwischen Stabilität und dynamischem Ansprechverhalten. Bei digitaler Regelung lässt sich eine nicht lineare oder adaptive Regelschleife entwickeln, welche den Kompensationsfaktor oder Regelschleifenalgorithmus in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen variiert.

Der digitale Ansatz bietet noch weitere Vorteile: Je nach Spannungstoleranz sind am Ausgang weniger Entkopplungskondensatoren nötig und es lassen sich Kosten, Bauteile und Platz einsparen. Außerdem ermöglicht die digitale Regelung eine Parallelisierung von Stromversorgungsstufen, wo je nach Last, nur eine oder beide Stufen aktiviert sind. Dadurch entstehen Vorteile wie höhere Ausgangsspannungsqualität (geringere Restwelligkeit), Ersatz defekter Stufen während des Betriebs (Hot Swapping) und kleinere Passivkomponenten. Bild 4 zeigt die typische interne Struktur eines AC/DC-Schaltnetzteils und verschiedene Komponenten von Infineon für die einzelnen Leistungsstufen.

Einfacher Einstieg

Für den einfachen Einstieg in die Entwicklung digitaler Stromversorgungen steht das »XMC Digital Power Explorer Kit« zur Verfügung (Bild 5). Das Kit basiert auf den XMC4000/XMC1000-Mikrocontrollern sowie N-Kanal-MOSFETs (OptiMOS) und High-Side- sowie Low-Side-Treibern (IRS2011S).

Zum Lieferumfang des Kits gehören ein Leistungsboard (synchroner Abwärtswandler) und zwei XMC-Control-Boards (bestückt mit einem XMC1300 oder XMC 4200). Das Abwärtswandlerboard hat eine umschaltbare Widerstands-Lastbank integriert. Diese kann zwischen 10 %, 55 % oder 100 % der Volllast verändert werden. Damit lässt sich die Qualität der Regelschleife unter verschiedenen Lastbedingungen einfach testen. Unterstützt werden die Spannungs- und Stromspitzenwertregelungen (mit Slope-Kompensation).

Zum Kit gehören zwei Optionen (Karten): »XMC1300 Control Card« mit dem ARM Cortex-M0-Core und die »XMC4200 Control Card« (ARM Cortex-M4F). Der XMC4200 bietet eine hochauflösende PWM-Einheit (150 ps), präzise Slope-Kompensierung und intelligente Analogkomparatoren. Nutzt man die XMC1300-Control-Card im Stromspitzenwertmodus, dann kann die auf dem Power-Board integrierte Slope-Kompensationsfunktion genutzt werden, da der XMC1300 diese Funktion als Low-End-Mikrocontroller nicht implementiert hat. Die auf dem Board implementierte, kostengünstige Slope-Kompensationsfunktion ist allerdings nicht ganz so präzise und schnell wie die im XMC4200 integrierte. So kann jedoch ein Entwickler einfach abschätzen, ob für seine Anwendung eine kostenoptimierte Low-End-Lösung (XMC1300) ausreicht, oder eine High-End-Lösung mit dem XMC4200 erforderlich ist.

Evaluierung für Boost-Konverter und Halbbrücken

Mit der gratis erhältlichen IDE-Softwareumgebung »DAVE4« und mehreren Digital-Power-APPs kann das Potenzial der XMC-Mikrocontroller für digitale Stromversorgungen bestmöglich genutzt werden. Typische Anwendungen des Kits sind DC/DC-Applikationen im Industriebereich, aber auch im Telekom- und Datacom-Umfeld.

Das Demoboard »EVAL 800W 130 PFC C7« (Bild 6) nutzt die Leistung der neuesten 600-V-CoolMOS C7-MOSFETs für einen CCM-PFC-Aufwärtswandler zusammen mit Eice-Driver-ICs und 650-V-CoolSiC-Schottky-Dioden der 5. Generation für eine analoge oder digitale Regelung. Die typische Zielapplikation ist ein PFC-Block in 800-W-Schaltnetzteilen. Die klassische PFC-Topologie bietet eine universelle Eingangsspannung von 90 V(AC) bis 265 V(AC). Der maximale Eingangsstrom wird mit 10 A(RMS) bei 90 V(AC) spezifiziert, mit einer maximalen Ausgangsleistung von 800 W. Dieses Board misst 120 mm x 80 mm x 40 mm.

Neben den MOSFETs, Dioden und Gate-Treibern trägt das Board einen XMC1302-Mikrocontroller, einen PFC-CCM-Controller und einen CoolSET-QR-PWM-Controller. Typische Applikationen sind Server-Stromversorgungen, Telecom-Gleichrichter, PC-Stromversorgungen oder generell Schaltnetzteile, die eine PFC-Stufe benötigen.

Mit dem Evaluation-Board »EVAL 600W 12V LLC C7« (Bild 7) demonstriert Infineon eine Halbbrücken-LCC-Stufe (600 W) für ein Server-Schaltnetzteil, dass die hohen Wirkungsgradvorgaben des 80+ Titanium-Standards erfüllt. Dafür verfügt das Board über moderne CoolMOS-C7-600-V-MOSFETs auf der Primärseite und OptiMOS-Low-Power-MOSFETs im kleinen SuperSO8-Gehäuse auf der Sekundärseite. Weitere Leistungskomponenten des resonanten LCC-Wandlers sind ein CoolSET-PWM-Controller sowie High- und Low-Side-Treiber. Das Board steht für analoge Regelung zur Verfügung (mit einem LLC-Controller) als auch für digitale (mit einem XMC4200).

Die wesentlichen Spezifikationen sind 12 V Ausgangsspannung und 50 A Ausgangsstrom. Der maximale Wirkungsgrad bei einer Last von 50 % wird mit 97,8 % spezifiziert. Bei einer Last von nur 10 % liegt der Wirkungsgrad noch immer über 95 %.

Über den Autor:

Ivan Dobes ist Product Manager Industrial- und Multimarket-Mikrocontroller bei Infineon Technologies.

Prädestiniert für digitale Leistungswandlung

Die Serien der XMC1000/XMC4000 32-bit-Mikrocontroller sind hinsichtlich spezieller Anwendungsgebiete optimiert. So ist die Control-Serie XMC1300 insbesondere auf Motorsteuerungen und digitale Leistungswandlung zugeschnitten. Dafür bietet sie neben einer besonders leistungsfähigen Capture/Compare-Einheit  8 (CCU8) mit zwei Compare-Kanälen und asymmetrischer PWM-Funktionalität auch ein sogenanntes POSIF (Position Interface) für die präzise Erfassung der Motorposition sowie einen mathematischen CKoprozessor. Die CCU8 unterstützt eine komplexe PWM-Signalerzeugung mit komplementären Schaltern in Halbbrückenk-Konfiguration, mehrphasiger Regelung und Paritätsprüfung.

Die XMC4000-Familie eignet sich besonders für die digitale Leistungswandlung, für elektrische Antriebe und Sensoranwendungen. Alle XMC4000-Mikrocontroller sind für Temperaturen bis 125  °C qualifiziert. Sie verwenden den ARM Cortex-M4-Prozessor mit DSP-Instruktionen, Gleitkommaeinheit, DMA und Speicherschutzeinheit (MPU). Zur umfangreichen Peripherie gehören schnelle A/D-Wandler, hochauflösende Timer/PWM-Kanäle und Schnittstellen für alle gängigen industriellen n Industrie-Kommunikationsstandards.

Die Mikrocontroller der Serien XMC4400, XMC4200 und XMC4100 bieten eine hochauflösende PWM-Einheit. Mit einem PWM-Zeitraster von nur 150  ps eignen sie sich besonders für die effiziente digitale Leistungswandlung in Umrichtern, Schaltnetzteilen und Unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV).