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Digital Power für höchste Ansprüche

24. Januar 2017, 10:26 Uhr | Von Chance Dunlap, Director Infrastructure Power bei Intersil

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Digital geregelte Stromversorgungen sind die Lösung

Eine echte digitale Regelung der Stromversorgung mit einem digitalen PWM-DC/DC-Wandler ist wesentlich mehr als nur die Überwachung eines internen analogen Regelkreises. Denn der Rückkopplungspfad des Regelkreises wird vollständig im digitalen Bereich ausgeführt, beginnend mit der A/D-Wandlung der Rückführspannung. Sobald sämtliche Informationen im Digitalbereich vorliegen, können neue ausgefeilte Regelungs- und digitale Signalverarbeitungstechniken angewendet werden. Dazu zählt das Ändern von Zuständen und Algorithmen auf Basis der Lastbedingungen, um ein optimales Verhalten selbst unter wechselnden Bedingungen zu garantieren (Bild 2).

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Die Vorteile der digitalen Regelung gehen aber auch über fortschrittliche Regelungstechniken und flexible Umsetzungen hinaus. Der Algorithmus kann sich an Änderungen anpassen und beseitigt somit frühere Einschränkungen analoger Stromversorgungen. Zu beachten ist, dass die anfängliche Toleranz einiger passiver Bauelemente wie Induktivitäten und Kondensatoren ±20 % und mehr betragen kann. Und Bauteile mit kleineren Toleranzen können die Kosten für das Design erheblich erhöhen. Ein Digital Power Controller muss nicht länger eine lange Liste passiver und analoger Bauelemente ausgleichen, die allesamt in einem komplizierten Design angeordnet sind und ein nicht ideales Verhalten aufweisen.

Ein digitaler Ansatz führt zum Erfolg

Die digitale Regelung mag für manche Entwickler neu erscheinen, in Wirklichkeit handelt es sich aber schon um eine ausgereifte Technik, was Intersils ZL880x-Serie von die DC/DC-Abwärtsregler zeigt, denn dabei handelt es sich bereits um die vierte Generation von Mixed-Signal-Leistungswandler. Bild 3 zeigt das Blockschaltbild des ZL8802, ein 2-Kanal/2-Phasen-Controller, der einen leistungsfähigen Abwärtsregler für eine Vielzahl von Stromversorgungsanwendungen enthält. Mit ihm erübrigt sich die Kompensation des Regelkreises, die für die Stabilität erforderlich ist, ohne dabei die Systembandbreite zu beeinträchtigen.

Die ZL880x-Serie findet sich bereits in zahlreichen OEM-Stromversorgungen verschiedener Anbieter, einschließlich der NDM3Z-Serie von CUI, wobei es sich um digital geregelte DC/DC-POL-Module. Diese leistungsfähigen Module erfüllen sogar die Anforderungen anspruchsvoller Intermediate-Bus-Stromversorgungen. Mark Adams, Senior Vice President bei CUI, erklärt: »Wir haben uns für den ZL8800-Controller in unserem digital geregelten POL-Modul NDM3ZS-60 entschieden, weil er branchenweit die meisten Funktionen bietet. Die einfache Umwandlung einer Spannung in eine andere ist für unsere Kunden heute keine Option mehr. Heute ist eine perfekte Spannungswandlung gefordert. Die Digitaltechnik und entsprechende ICs helfen uns dabei.«

Adaptive Algorithmen innerhalb des ICs ändern automatisch den Betriebsmodus, um den Wirkungsgrad und die Gesamtleistung zu erhöhen, ohne dass der Anwender eingreifen muss. Der vollständig digitale Regelkreis des Bausteins sorgt für eine präzise Regelung der gesamten Leistungswandlung ohne Software. Damit steht ein äußerst flexibles und einfach einsetzbares Modul zur Verfügung. Der Regelalgorithmus ist so ausgelegt, dass er auf Änderungen des Ausgangsstroms innerhalb eines PWM-Schaltzyklus reagiert. Damit entsteht eine kleinere Gesamtausgangsspannungsschwankung mit geringerer Ausgangskapazität als bei herkömmlichen PWM-Controllern.

Der Baustein ermöglicht die komplette Regelung und Überwachung jeder Stromversorgungsschiene über die PMBus-Schnittstelle, was die Zuverlässigkeit maximiert. Über den eigenen seriellen, eindrahtigen DDC-Bus (Digital DC) können mehrere ZL880x mit anderen Digital Power ICs von Intersil kommunizieren, wodurch Phasenstromausgleich zwischen ICs, Sequenzierung und Fehlerausbreitung möglich sind, und ein zusätzliches kompliziertes Power-Management-Design mit externen diskreten Bauelementen überflüssig wird. Der ZL8802 bietet Schutzfunktionen, die den Baustein sowie die Last kontinuierlich überwachen und eine Beschädigung durch unerwartete Systemfehler verhindern. Die Eingangsspannung, der Eingangsstrom, die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom können kontinuierlich überwacht werden. Hinzu kommen ein zyklusweiser Überstromschutz am Ausgang sowie die Überwachung der internen Temperatur und der Temperatur der beiden externen Temperaturdioden. Die Überwachungsparameter lassen sich vorab einstellen, um Warnungen bei bestimmten Bedingungen zu erzeugen.