Digital Power
Autotuning von Leistungswandlern wird Realität
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Praxisbeispiel CPU-Versorgung
Die Bilder 4 und 5 wurden an einem Abwärtswandler für eine High-End-CPU aufgezeichnet. Der geprüfte Wandler muss den Nachweis erbringen, dass er Anforderungen an die Genauigkeit der Ausgangsspannung unter dem Einfluss einer definierten Transiente (in diesem Fall eine Änderung des Laststroms von 25 A auf 125 A mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 625 A/µs) einhält. Aufgrund des programmierten Spannungseinbruch (Droop) des Controllers sollte die Ausgangsspannung (gelbe Kurve in Bild 4) einen rechteckförmigen Verlauf entsprechend dem Laststrom (blaue Linie) haben.
Links in Bild 4 ist das mögliche Verhalten des Systems am Beginn der Abstimmphase zu sehen. Normalerweise gibt der Entwickler hier Startwerte für das PID-Filter vor und beginnt anschließend mit den Tests. So lässt sich herausfinden, welche Parameter in welchem Umfang zu ändern sind. Auf der rechten Seite in Bild 4 ist das Verhalten der Lösung nach dem Autotunig dargestellt.
Bislang war der Zeitaufwand für das Abstimmen von mehreren Faktoren abhängig. Selbstverständlich spielte die Erfahrung des Entwicklers eine Rolle. Aus unerfindlichen Gründen nimmt das Abstimmen außerdem bei einigen Designs mehr Zeit in Anspruch, während es bei anderen schneller geht. Wie schon erwähnt, ist das Abstimmen des Kompensationsnetzwerks eine Art Kunst. Diese Unsicherheit räumt die Autotuning-Funktion aus. Tatsächlich erfolgt das Abstimmen des neuen Controllers mithilfe dieser Funktion auf Knopfdruck.
Nachdem die Anweisung zum Abstimmen gegeben wurde, dauert es nur wenige Millisekunden, bis der Algorithmus die optimalen Werte für das PID-Filter gefunden hat. Bild 5 zeigt die Bode-Diagramme zu den Messungen aus Bild 4. Der Baustein wurde zunächst mit zu wenig Bandbreite konfiguriert (20 kHz im vorliegenden Beispiel). Das Autotuning korrigiert die Werte des PID-Filters jedoch so, dass er die optimale Einstellung erreicht (in diesem Fall 48 kHz, wodurch die Phasenreserve noch großzügiger wird).
Wer jemals geraume Zeit damit verbringen musste, die Kompensation eines kritischen DC/DC-Abwärtswandlers abzustimmen, wird dieses Feature zu schätzen wissen. Selbstverständlich ist es möglich,
die Parameter anschließend nachzubessern, um bestimmte Eigenschaften zu verändern. Zum Beispiel kann unter Inkaufnahme hö-
herer Kosten die Performance erhöht werden, oder man reduziert die Leistungsfähigkeit auf ein noch vertretbares Maß, um den Platzbedarf zu verringern.
Über den Autor:
Salvatore Galati ist Field Application Engineer, Excellence Center, Power and Industrial bei STMicroelectronics.
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