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Digitale Mehrphasen-Controller

Power für IoT-Infrastrukturen

22. Oktober 2020, 07:54 Uhr   |  Ute Häußler

Power für IoT-Infrastrukturen
© Renesas

Softwarekonfigurierbare digitale Mehrphasen-Controller und Smart Power Stages versorgen CPUs, FPGAs, GPUs und AI ASICs mit mehr als 1000 A.

Renesas stellt eine neue Generation softwarekonfigurierbarer, digitaler Mehrphasen-Controller und Smart Power Stages vor. Die Familie stellt Ströme von 10 A und mehr als 1000 A bereit und versorgt in digitalen IoT- und 5G-Systemen Advanced CPUs, FPGAs, GPUs sowie ASICs für künstliche Intelligenz.

15 digitale Mehrphasen-Controller und sechs Smart Power Stages erweitern die digitale Mehrphasen-Plattform von Renesas auf insgesamt 41 ICs. Der Halbleiteranbieter trägt mit den neuen Stromversorgungslösungen der rasant wachsende Leistungsdichte Rechnung, die in Servern von Rechenzentren, Speichern, Netzwerken, Routern und Switches sowie in Infrastruktur für 5G und optischen Netzwerken als auch im Computingbereich benötigt wird.

Die Controller arbeiten mit einer Synthetic-Current-Control-Architektur und erreichen damit ein sehr schnelles Transientenverhalten, eine reduzierte Ausgangskapazität sowie geringere Systemkosten. Zusätzlich sollen Power-Entwickler mit einer lötfreien Optimierung jeder Anwendung mithilfe der neuartigen Software Power Navigator von einer reduzierten Entwicklungszeit profitieren können.

Digitale Mehrphasen-Controller

Die digitalen Mehrphasen-Controller ISL6822x, ISL6823x und RAA2282xx erlauben nach Aussagen von Renesas eine größere Skalierbarkeit und Flexibilität bei der Anpassung an jede Systemanforderung ohne einen Phasendoppler. Entwickler können auf eine große Auswahl an Controllern zurückgreifen, die sich – in Abhängigkeit von den Stromanforderungen – zwischen zwei und zwanzig Phasen an eine Vielzahl von Anwendungen anpassen lassen. Zusätzlich können Vorgaben gemacht werden, wann Phasen hinzugefügt oder weggeschaltet werden können, um den Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich zu maximieren. Der nichtflüchtige Speicher in jedem Controller erlaubt die komplette Konfiguration im IC abzuspeichern, ohne dabei weitere diskrete Komponenten für die Inbetriebnahme und Optimierung zu benötigen. Die integrierte Black-Box-Funktion erfasst Fehlerereignisse und erlaubt somit eine schnelle Diagnose und Analyse.

Die im Controller verbaute digitale Engine besitzt eine patentierte Synthetic-Current-Control-Architektur, die jeden Phasenstrom mit einer Nulllatenz regeln kann. Dies ermöglicht dem IC auf jedwede Lastveränderung mit einem präzisen Strom- und Spannungswert zu reagieren. Dabei sind 30 Prozent weniger Ausgangskapazität als bei vergleichbaren Produkten des Mitbewerbs erforderlich. Das Prinzip der synthetischen Stromregelung erlaubt es, hochzuverlässige Systeme nur mit keramischen Kondensatoren zu entwickeln.

Mit einer kompletten digitalen Regelung der Spannungsversorgung kann das Gesamtsystem mit Hilfe einer PMBus- oder AVSBus-Schnittstelle überwacht und gesteuert werden. Die AVSBus-Schnittstelle erlaubt die Anbindung an gängige ASICs oder Prozessoren, um damit die Versorgungsspannung zu überwachen oder die Spannung adaptiv so einzustellen, dass ein hoher Wirkungsgrad durch Anpassen der Spannungsversorgung an die Lastanforderungen erreicht wird. Die PMBus-Schnittstelle liefert eine komplette Überwachung von I/O-Spannungen, Ströme, Temperatur und Fehlermeldungen. Eine Kombination aus digitalen Mehrphasen-Controllern (4 mm x 4 mm bis 8 mm x 8 mm QFN-Gehäusen) mit unterschiedlichen Smart Power Stages erlaubt jeder einzelnen Phase eine präzise Stromüberwachung.

Smart Power Stages

Die Smart Power Stages (SPS) ISL993xx und RAA2213xx liefern einen maximalen Dauerstrom zwischen 20 A und 90 A und verfügen über eine integrierte Treiberstufe und FETs in kompakten 4 mm x 5 mm bis 5 mm x 6 mm QFN-Gehäusen, die auf platzsparende Designs ausgerichtet sind. Dieser hohe Integrationsgrad in Verbindung mit der Möglichkeit zur Strommessung führt zu einer Platzersparnis von > 30 Prozent gegenüber herkömmlichen Lösungen, welche üblicherweise einzelne Treiberstufen und FETs verwenden. Im Gegensatz zu den üblichen Treiberstufen in DrMOS-ICs haben Smart Power Stages (SPS) eine intelligente Treiberstufe implementiert. Die Neuerung in den SPS-Treibern besteht darin, dass hier durch eine Messung an integrierten FETs eine Rekonstruktion des Spulenstroms ermöglicht wird.

In den Smart Power Stages ist eine hochgenaue Strommessung und Auswertung integriert. Dies vereinfacht Designs, da komplexe Schaltungen für die Temperatur- und DCR-Kompensation entfallen. Die Stromauswertung garantiert eine Genauigkeit von 2 Prozent über Spannungs-, Last- und Temperaturschwankungen. Dies ist eine signifikante Verbesserung gegenüber dem DCR-Sensing, das durch mangelnde Temperaturkompensation, Variation des DCR-Werts der Spule und Zeitkonstantenfehler über Last beeinträchtigt wird.

Power Navigator Software mit GUI

Die Software Power Navigator, die laut Renesas erste ihrer Art für digitale Mehrphasen-Controller, liefert Flexibilität, Konfigurierbarkeit und vereint ein leistungsstarkes Debugging-Tool in einer graphischen Benutzeroberfläche (GUI). Entwickler können damit ICs einfach konfigurieren und Kenngrößen für Optimierungen verändern. Fehler können mithilfe der Black Box durch Aufzeichnung von Steuerbefehlen in Hochgeschwindigkeit und mit dem digitalen Test-Bus gesucht und überprüft werden.

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