Intermediate-Bus-Architektur
Digitale Regelung sorgt für Effizienz
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Busspannung dynamisch regeln
Die Möglichkeit, Daten aus jedem Wandler zu lesen und diesen während des Betriebs anzupassen, erleichtert Techniken wie die dynamische Busspannungsregelung. Dabei steuert Überwachungssoftware den Intermediate-Bus-Wandler so, dass er seine Ausgangsspannung senkt, sobald der Leistungsbedarf geringer wird und umgekehrt. Ziel ist es, die dynamischen Verluste zu minimieren, die am PoL-Wandler auftreten, ohne dabei den Wirkungsgrad des Intermediate-Bus-Wandlers zu beeinträchtigen und über das gesamte System Energie einzusparen. Jede Kombination von Wandlern verursacht aber komplexe Interaktionen, die schwer zu visualisieren sind. Daher ist die Modellierung und Simulation ein interessanter Ansatz, um optimierende Algorithmen zu entwickeln.
Um das Potenzial solcher Techniken zu untersuchen, wählten Entwickler bei Ericsson Power Modules einen Testaufbau, der aus dem Intermediate-Bus-Wandler »BMR453« besteht, der zwei »BMR450« (20 A) und vier »BMR451« (40 A) - jeweils digitale PoL-Wandler - versorgt. Zuerst mussten Daten unter Realbedingungen erfasst werden, um ein Modell jedes Wandlers erstellen zu können.
Bild 1 illustriert die Verlustleistung eines BRM450, wobei die Ausgangsspannung 1 V beträgt und die Last von 0 V bis 20 A hochgefahren wird, während die Eingangsbusspannung von 4,5 V bis 14 V schrittweise angehoben wird. Mit einem Least-Square-Fit-Verfahren erstellten die Entwickler Polynomialmodelle aus den Testergebnissen jedes Wandlers. Durch das Hochladen dieser Daten auf ein Modell innerhalb der »Simulink«-Umgebung ließen sich die Wechselwirkungen zwischen den Stromversorgungskomponenten visualisieren und deren Verhalten auf sich ändernde Parameter simulieren.
Bussteuerungsalgorithmen untersuchen
Außerdem konnten die Entwickler untersuchen, wie sich verschiedene dynamische Bussteuerungsalgorithmen auswirkten. Ein Ansatz umfasst einen Algorithmus, der einen Bezugswert für die Verlustleistung nutzt. Dabei überwacht das System während des normalen Regelzyklus‘ den relativen Leistungsverlust. Wird ein festgesetzter Schwellenwert erreicht, leitet der Wandler eine Optimierungssequenz ein. Dieser komplexe Algorithmus führt mehrere Iterationen durch, bis die Intermediate-Bus-Spannung einen Wert erreicht hat, bei dem die Verluste bei den jeweiligen Bedingungen minimal sind.
Daraufhin wird die Sequenz beendet. Dieser Zyklus wiederholt sich, um die Leistungsverluste innerhalb der Vorgaben zu minimieren, die Trigger-Level-Hysteresewerte und die minimale Busspannung enthalten. Diese Werte sind erforderlich, um eine Regelung für einen bestimmten Laststrom aufrecht zu erhalten.
Bild 2 veranschaulicht, wie sehr die Änderung der Intermediate-Bus-Spannung den Wirkungsgrad verbessert - in Bezug auf einen festen Wert von 12 V (orange Linie) und den Beispiel-Testaufbau (grüne Linie). Besonders signifikant ist der Unterschied bei niedriger Last. Zudem skalieren diese Verbesserungen mit der Systemkomplexität und den Leistungswerten.
Über den Autor:
Patrick Le Fèvre ist Marketing und Communications Director bei Ericsson Power Modules
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