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Digital Power

Dynamische Optimierung der Versorgungsspannung

22. Oktober 2013, 15:00 Uhr | Von Patrick Le Fèvre

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Dynamic Bus Voltage (DBV)

Die Dyamic Bus Voltage (DBV) ist eine Weiterentwicklung der Intermediate Bus Architecture (IBA). Damit lässt sich die bereitgestellte Leistung dynamisch an die Lastbedingungen anpassen. Die früher feste 12-V-Intermediate-Busspannung wird dabei über fortschrittliche digitale Leistungsregelung und optimierte Hardware variiert. Die Hardware ist ein Advanced Bus Converter, der mit optimierenden Algorithmen kombiniert wird. So verringert sich die Energieaufnahme und damit auch die Verlustleistung, was wiederum zu einem geringeren Kühlungsaufwand beiträgt.

Das Konzept zur Justierung der Intermediate-Busspannung an die Lastanforderungen wurde erstmals Mitte der 1990er Jahre erprobt. Dabei kam ein elektronisches Potenziometer zur Steuerung des analogen DC/DC-Wandlers über seinen Ausgangsspannungs-Justieranschluss zum Einsatz (Bild 2). Diese Technik wurde jedoch nie kommerziell genutzt, da die genaue Optimierung der Busspannung zu komplex ist. Sie war aber der Auslöser für weitere Forschungsvorhaben im Bereich Digital Power.

DBV ist für nicht statische Lasten vorgesehen und erfordert eng gekoppelte Überwachungs-, Regelungs- und Messschaltkreise sowie Logik, die eigenständig oder als Teil eines Netzwerks arbeiten kann. Diese Anforderungen lassen sich zwar mit Analogtechnik erfüllen - allerdings sind dafür eine hohe Bauteilanzahl und viel Platz auf der Leiterplatte erforderlich. Im Falle eines Abwärtswandlers würde eine digitale Version den A/D-Umsetzer, die numerische Referenz, den Addierer und den Digitalfilter für den Fehlerverstärker, den Rampengenerator, Komparator und Latch ersetzen, den das analoge System zur Modulation des PWM-Signals verwendet. Intern leitet das Bauteil Binärinformationen zwischen seinen Schaltkreiselementen weiter, um Funktionen wie Eigenmanagement und Korrektur des Tastgrads seines PWM-Signals auszuführen, um eine genaue Ausgangsspannung zu garantieren. Darüber hinaus ist es kostengünstiger, mit Hilfe eines fortschrittlichen Mixed-Signal-Halbleiterprozesses einen Mess- und Regelkreis zusammen mit einer Kommunikationsschnittstelle im DC/DC-Controller zu installieren. Zusammen mit Standard-PMBus-Protokollen ist damit eine einfache serielle Datenkommunikation mit entsprechenden Bauteilen auf Board-Ebene möglich. Dazu kommt eine Standard-Befehlssprache zum Einsatz, die speziell für Leistungswandler-Anwendungen entwickelt wurde.

Die Einführung einfach verfügbarer und kommerziell gefertigter digitaler Leistungswandler-Module ermöglicht Systementwicklern eine einfache Implementierung. Dabei werden eigenständige Anwendungen als auch anspruchsvolle Systeme unterstützt, die nun imstande sind, ihren Wirkungsgrad in Echtzeit zu überwachen und zu -regeln - einschließlich deren Intermediate-Busspannung.

DBV in der Praxis

Moderne DC/DC-Wandler lassen sich während des Betriebs umprogrammieren (on the fly) und reagieren schnell auf Befehle, die eine einfache Anpassung der Ausgangsspannung oder komplexe Abläufe wie der Abgleich der digitalen Filter in der Regelschleife umfassen. Mit einfachen PMBus-Befehlen lassen sich komplexe Messungen und Regelungsfunktionen durchführen. Die integrierten Funktionen eines digitalen DC/DC-Wandler-IC vereinfachen somit die Umsetzung der dynamischen Busregelung.

Eine dynamische Busregelung in Telekommunikationsausrüstungen erfordert das Schreiben von Anwendungs-Code zur Überwachung des Systems: Es muss die Abwägung getroffen werden, wann die Intermediate-Busspannung bei steigender oder fallender Last erhöht oder gesenkt wird. Die Ausarbeitung von Algorithmen, die hier zuverlässige Entscheidungen treffen, ist aufwendig. Die Visualisierung komplexer Abläufe und Interaktionen, wie sie bei der Kombination von IBCs und POL-DC/DC-Wandlern auftreten, kann sehr schwierig sein.

Vor der Erwägung, DBV einzusetzen, steht die Überprüfung des möglichen Energieeinsparpotenzials. Dabei wird ein Modell eines gängigen Systems erstellt und geprüft, ob es genauso präzise und zuverlässig ist wie eine reale Anwendung. Ausgangspunkt ist die Funktion jedes IBC und POL in einem System über den Bereich der möglichen Eingangsspannungen und Ausgangsströme, wie sie in der Endanwendung auftreten können. Dann werden die Leistungsverluste schrittweise aufgezeichnet. Der Ausdruck der jeweiligen Parameter erzeugt eine dreidimensionale Ansicht über den Wirkungsgrad einer jeden Baugruppe hinsichtlich des gewählten Messbereichs (Bild 3).

Mit den schrittweisen Testergebnissen ist die Anordnung von Datenpunkten innerhalb der Grafik auch nützlich für die Simulation. Die Auswertung der Testergebnisse für jeden IBC und POL mit dem Least-Squares-Fit-Ansatz ergibt ein Polynom-Modell des entsprechenden Bauteils, das die Simulink-Umgebung importieren und bearbeiten kann. Ericsson hat Computermodelle von Systemen erstellt, um die Performance anderer Regelungsmechanismen zu untersuchen und die Energieeinsparung durch die Regelung der DBV zu maximieren. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass das System stets stabil bleibt.

Ein komplexer Algorithmus testet das System zunächst, indem er einen Leistungsverlust verursacht. Das Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts löst dann eine Optimierungssequenz aus. Der Algorithmus führt zahlreiche Iterationen durch und regelt die Intermediate-Busspannung schließlich auf einen Wert, der den Leistungsverlust minimiert. Der Zyklus wiederholt sich, um Verluste, die etwa durch eine Hysterese verursacht werden, weiter zu minimieren. Dies stellt stabile Schwellenwertbedingungen für die Optimierungssequenz sicher.

Ein Testsystem, bestehend aus -einem fortschrittlichen IBC, der zwei 20-A- und vier 40-A-Digital-POLs versorgt, veranschaulicht die Steigerung des Wirkungsgrades, die sich durch die dynamische Anpassung des Wertes der Intermediate-Busspannung im Vergleich zu einem festem 12-V(DC)-Wert ergibt. Die Verbesserungen werden je nach durchschnittlicher Last auf drei bis zehn Prozent geschätzt (Bild 4).