Digital Power Management

Gleichspannungsregler mit Autotuning

25. Mai 2012, 12:11 Uhr | Von Joe Chong und Harmik Singh
Digital Power - mit dem digitalen DC/DC-Controller MAX15301 von Maxim
© Elektronik

Bei der Entwicklung von Basisstationen müssen unweigerlich Kompromisse zwischen Größe, Wirkungsgrad und Leistungsfähigkeit geschlossen werden. Neue Stromversorgungen auf der Basis digitaler Regelung sind hier mit ihrer Einfachheit, Flexibilität und Skalierbarkeit die richtige Wahl. Maxim bietet mit dem digitalen Controller MAX15301 für DC/DC-Wandler aber nicht nur einen höheren Integrationsgrad und mehr Flexibilität. Der digitale Controller ermöglicht eine fortlaufende Überwachung. Er misst im Einschaltvorgang die Lastparameter, berechnet daraus ein mathematisches Modell und kann so stets im optimalen Arbeitspunkt und mit höherer Zuverlässigkeit arbeiten.

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Der Energiebedarf einer Basisstation stellt für den Mobilfunkbetreiber einen wichtigen Kostenfaktor dar. Eine energiesparende Stromversorgung kann deshalb erheblich zur Senkung der Betriebskosten beitragen. Die niedrigere Verlustleistung erlaubt es auch, kleinere Kühlkörper zu wählen. Dies wiederum hat zur Folge, dass die gesamte Funkeinheit kleiner wird.

Da diese Baugruppen häufig auf einem Mast oder außen an einem Gebäude montiert werden, verringern sich durch die reduzierten Abmessungen auch die mechanischen Belastungen. Die Basisbandeinheit muss das Sprach- und Datenaufkommen in der Funkzelle bewältigen. Sie benötigt mehrere Spannungen mit Strömen, die bis über 60 A betragen können. Dies macht eine mehrphasige Stromversorgung erforderlich, die wichtige Zustands- und Betriebsparameter an eine zentrale Steuereinheit übermittelt.

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Die Schaltung eines analogen Power-Managements (links) ist wesentlich aufwendiger als ein in Digitaltechnik realisiertes Power-Management (rechts)
Bild 1. Die Schaltung eines analogen Power-Managements (links) ist wesentlich aufwendiger als ein in Digitaltechnik realisiertes Power-Management (rechts).
© Maxim

Die Leistungsfähigkeit einer Stromversorgung lässt sich besser steuern, wenn die Betriebsparameter überwacht werden – was stets auch eine höhere Zuverlässigkeit bewirkt. Beim Ein- und Ausschalten in Basisstationen kommt es darauf an, mehrere Versorgungsspannungen mit hohen und niedrigen Strömen in der richtigen Reihenfolge zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Während der gesamten Betriebszeit der Basisstation müssen Strom und Temperatur überwacht werden, um sicherzustellen, dass das System innerhalb der zulässigen Grenzwerte bleibt. Gegebenenfalls müssen Warnsignale oder Fehlermeldungen ausgegeben werden.

Bei einem analogen Power-Management sind zur Implementierung dieser Funktionen mehrere Bau- elemente und ein Power-Manager nötig. Im Gegensatz dazu reduziert ein digitales Power-Management die Schaltungskomplexität und macht einen separaten Power-Manager überflüssig (Bild 1).

Digitaler Controller für Gleichspannungswandler

Der mit einer Autotuning-Funktion ausgestattete digitale Point-of-Load- (PoL-) Controller MAX15301 von Maxim [1, 2] nutzt adaptive Kompensationstechniken. Er kann sich selbsttätig auf ein breites Spektrum variabler Timing-, Spannungs-, Strom- und Temperaturparameter sowie auf unterschiedliche Eigenschaften externer Bauelemente einstellen. Er kombiniert eine Spannungsregelschleife mit einer Laststrom-Vorsteuerung (Störgrößenaufschaltung).

Die Lastinformation und die Strom-Vorsteuerung erweitern den nutzbaren Bandbreitenbereich über die Grenzen hinaus, die bei traditionellen analogen oder auch digitalen Regelschleifen aus Stabilitätsgründen bestehen. Die Reaktion des Reglers auf sprunghafte Laständerungen wird dadurch verbessert.

Die digitale Regelschleife im MAX15301 arbeitet mit Autotuning
Bild 2. Die digitale Regelschleife im MAX15301 arbeitet mit Autotuning. Die als Zustandsregler ausgeführte Regelung misst die Betriebsparameter am Ausgang und reagiert dank „InTune“-Zustandsschätzung besonders schnell auf Änderungen.
© Maxim

Da Basisstationen extremen Temperaturen ausgesetzt werden, muss ihre Betriebssicherheit über einen großen Temperaturbereich hinweg gewährleistet sein. Bei einer analogen Stromversorgung traditioneller Art muss die Kompensation der Regelschleife ein breites Spektrum von Einsatzbedingungen abdecken, obwohl sie zwangsläufig nur auf eine ganz bestimmte Betriebsbedingung ausgelegt wurde. Sollen Schwankungen der passiven Bauelemente – z.B. Induktivitäten und Kapazitäten – berücksichtigt werden, wird die Kompensation noch schwieriger.

In einer digitalen Regelung lässt sich die Fähigkeit zur automatischen Kompensation implementieren – Autotuning. Der digitale Regler bietet zugleich auch Vorteile für die Bandbreitenoptimierung. Mehr Bandbreite verbessert das Ansprechverhalten bei Laständerungen, was wiederum mehr Toleranz zulässt oder die Verwendung von kleineren Ausgangskondensatoren erlaubt, um die Stromversorgung insgesamt kompakter zu machen.

Wenn sich die Werte der passiven Bauelemente temperaturbedingt ändern, stellt sich der digitale Regler dank der automatischen Kompensation außerdem auf die geänderten Bedingungen ein, sodass eine Optimierung über den gesamten Temperaturbereich möglich ist. Der digitale Gleichspannungsregler MAX15301 von Maxim verfügt über die „InTune“ genannte Autotuning-Technik. Sie basiert auf einer Zustands- oder Modellprädiktiven-Regelung, wogegen die Mehrzahl der digitalen Regler auf dem PID-Prinzip (Proportional, Integral, Differenzial) beruht. (Bild 2).


  1. Gleichspannungsregler mit Autotuning
  2. Automatische In-Tune-Kompensation
  3. Adaptive MOSFET-Ansteuerung

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