Digital-Power-Controller-IC in der Stromversorgungs-Entwicklung
Digitale vs. analoge Regelschleife
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Digital-Power-Controller-IC
Für die digitale Regelung einer Stromversorgung bietet Intersil mit dem ZL8800 ein Mixed-Signal-Leistungswandler- und Power-Management-IC der vierten Generation. Dieser 2-Kanal-/ 2‑Phasen-Controller enthält einen Abwärtswandler für eine Vielzahl von Stromversorgungsanwendungen. Die für die Stabilität erforderliche Kompensation der Regelschleife fällt mit Verwendung des Bausteins weg; die Systembandbreite wird dabei nicht beeinträchtigt (Bild 3).
Der Baustein findet sich bereits in Stromversorgungen der NDM3Z-Serie digital geregelter DC/DC-POL-Module des Herstellers CUI (Bild 4).
Algorithmen innerhalb des IC ändern automatisch den Betriebszustand, um den Wirkungsgrad und die Gesamtleistungsfähigkeit zu erhöhen. Die volldigitale Regelschleife steuert den gesamten Strom-/Spannungswandlungsvorgang sehr genau und ohne Software. Der Steueralgorithmus reagiert innerhalb eines einzigen PWM-Schaltzyklus auf Änderungen des Ausgangsstroms. Damit wird eine kleinere Ausgangsspannungsänderung mit weniger Ausgangskapazität als bei herkömmlichen PWM-Controllern erzielt. Der Controller bietet ein hervorragendes Transientenverhalten für digitale POL-Wandler und spart Ausgangskondensatoren sowie Platz auf der Leiterplatte ein. Nutzer erhalten damit die Kontrolle über die PMBus-Schnittstelle: jede Versorgungsschiene lässt sich somit überwachen. Intersils serieller eindrahtiger DDC-Bus (Digital DC) sorgt für die Kommunikation zwischen mehreren ZL8800-Controllern und anderen Digital-Power-ICs von Intersil, um Phasenstromausgleich, Sequenzierung und Fehlerstreuung zu ermöglichen. Integrierte Schutzschaltkreise schützen den Baustein und die Last vor Schäden durch unerwartete Systemfehler. Die Eingangsspannung, der Eingangsstrom sowie die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom werden ständig überwacht. Dabei steht zyklusweise Schutz gegen Überstrom am Ausgang bereit. Ebenso überwacht werden die interne Temperatur und die Temperatur zweier externer thermischer Dioden. Die Überwachungsparameter lassen sich auch vorab konfigurieren, um bei bestimmten Zuständen einen Alarm auszulösen.
Ein wesentlicher Bestandteil des ZL8800 ist Intersils digitale Modulationstechnik. Digital-Controller müssen drei Voraussetzungen erfüllen: Sie müssen kompensationsfrei sein und eine genügend hohe Bandbreite sowie eine feste Schaltfrequenz unterstützen. Die digitale Voltage-Mode-Steuerung des Bausteins bietet diese Funktionen sowie eine hohe Bandbreite mit der patentierten ChargeMode-Steuerung.
Voltage- oder Current-Mode-Hysterese-Controller bieten üblicherweise das beste Schleifenverhalten – allerdings mit dem Nachteil, bei variablen Frequenzen zu schalten. Moderne Telekommunikationssysteme, in denen Digital-Power-Controller eingesetzt werden, erfordern aber einen Betrieb bei fester Frequenz, um eine strenge Kontrolle des Rauschspektrums in Endanwendungen zu ermöglichen. Der ZL8800 von Intersil ermöglicht dies mit seiner digitalen Modulations- und Kompensationstechnik.
Durch digitale Modulation kann der Controller innerhalb eines PWM-Schaltzyklus auf Spannungsabweichungen reagieren. Der Baustein tastet den Fehler ab und berechnet das Modulationssignal mehrere Male innerhalb einer Schaltperiode. Dies verringert die Gruppenlaufzeit und unterstützt einen Betrieb mit sehr hoher Bandbreite (Bild 5). Der Intersil-Baustein muss den eigentlichen Wert des Ausgangskondensators nicht wissen, sondern verlässt sich auf den digitalen Algorithmus, um die richtige Einstellung durchzuführen – auch für die Stabilität. Dadurch verringert sich die erforderliche Kapazität für eine bestimmte Anwendung. Die Antwort des Controllers stellt sicher, dass alle Transientenbedingungen erfüllt sind, dass Stabilität garantiert ist und dass Ringing oder Überschwingen minimiert wird. Die Vorteile auf Systemebene sind, dass dem Entwickler bei der Wahl der Leistungselektronikbauteile mehr Freiheit geboten wird. Durch die ständige Überwachung erkennt der Controller zudem Auswirkungen durch Bauteilalterung oder Umgebungseinflüsse und führt entsprechende Anpassungen durch.
Zusammenspiel mit GUI
Ein weiterer Vorteil volldigitaler geschlossener Regelschleifen ist die Kompatibilität zu grafischen Benutzeroberflächen (GUI). Mit Intersils PowerNavigator Software können mehrere Controller über einen PC mit USB-Schnittstelle konfiguriert und überwacht werden. Alle Funktionen der digitalen Stromversorgung lassen sich über die GUI einstellen und ändern. Entwickler können damit eine Stromversorgungsarchitektur erstellen, die Spannungsschienen sowie die Stromaufteilung definieren, eine ereignis- oder zeitbasierte Sequenzierung einführen, die Hardware und die Fehler überwachen und das Projekt sowie die Konfigurationsdateien abspeichern.
| Mikrocontroller oder dedizierte Lösung? |
|---|
| Allgemein wird angenommen, dass eine digitale Regelung mit einem entsprechenden Mikrocontroller und I/Os möglich ist. Im Prinzip trifft dies zu, allerdings ist ein solches Design auch mit Nachteilen behaftet. Einige Ressourcen sind im Übermaß vorhanden, andere führen zu Unzulänglichkeiten. So bieten integrierte A/D- und D/A-Umsetzer in der Regel nicht die erforderliche Kombination aus Auflösung, Geschwindigkeit und anderen Parametern. Werden externe Wandler verwendet, benötigt das fertige Design mehr Platz, sorgt für Probleme beim PC-Leiterplattenlayout und muss EMV-/HF-Bestimmungen entsprechen. |
| Chance Dunlap |
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| ist als Senior Marketing Manager bei Intersil verantwortlich für den Bereich Infrastructure Power. Er ist seit 14 Jahren im Bereich Leistungselektronik, Business Development und Marketing tätig und verantwortet eine Reihe von Stromversorgungsprodukten von Digital Power bis hin zu isolierten Wandlern. Chance erwarb einen BSEE der Purdue University und einen MBA der University of Arizona. Er hält sechs Patente und hat eine Vielzahl von Fachaufsätzen über Stromversorgungsdesign und Regelkreisstabilität veröffentlicht. Außerdem hält er Vorträge auf verschiedenen Symposien und Konferenzen. |
Der Autor
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