Digitales Powermanagement

Stromversorgungen dezentral per PMBus steuern

28. Juli 2011, 9:25 Uhr | Von Bruce Haug

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Schaltregler-IC mit PMBus-Interface

Die beiden Controller-ICs LTC3880 (mit LDO für die eigene Versorgung) und LTC3880-1 (per Vorwiderstand von extern versorgt) eignen sich für den Einsatz in Abwärtswandlern mit Synchrongleichrichtung. Sie arbeiten mit hohem Wirkungsgrad, verfügen über zwei Ausgänge und eine I²C-basierte PMBus-Schnittstelle für das digitale Powermanagement.

Die Controller-ICs werden vom Software-Entwicklungssystem LTpowerPlay - inkl. grafischer Bedienoberfläche - unterstützt. Beide ICs lassen sich digital programmieren und erlauben das Auslesen von Status-Informationen wichtiger Funktionen eines Point-of-Load-DC/DC-Wandlers für die Überwachung und Steuerung.

Programmierbar sind: die Ausgangsspannung, das Toleranzband der Ausgangsstromstärke, die Ausgangsstrombegrenzung, minimale und maximale Grenzwerte für Eingangs- und Ausgangsspannung, sequenzielles Einschalten und Nachfolgen, Schaltfrequenz sowie Daten zur Identifizierung und Rückverfolgbarkeit.

Präzise A/D-Umsetzer und EEPROMs auf dem Chip erlauben die Erfassung und nichtflüchtige Speicherung von Einstellungen der Reglerkonfiguration und der Telemetrievariablen, wie Ein-/Ausgangsspannungen und -ströme, Arbeitszyklus, Temperatur und Fehlerauswertung.

Die Controller-ICs LTC3880/-1 haben eine analoge Regelschleife, um eine hohe Schleifenstabilität mit schnellem Einschwingen zu erreichen - ohne den Quantisierungseffekt, der üblicherweise in langsameren digitalen Regelschleifen auftritt. Die Controller-ICs können zwei unabhängige Ausgangsspannungen oder mit beiden Ausgängen im Gegentakt eine gemeinsame Ausgangsspannung liefern. Für hohe Stromstärken oder wenn mehr als zwei Ausgangsspannungen benötigt werden, können mit mehreren Controller-ICs bis zu sechs Phasen erzeugt werden, die sich parallelschalten lassen. Dadurch sinken die Anforderungen an die Eingangs- und Ausgangsfilter.

Ein integrierter Verstärker ermöglicht die differenzielle Messung der Ausgangsspannungen direkt an der Last - unabhängig von den durch die Leiterbahn-Widerstände verursachten Spannungsverlusten - und damit eine sehr genaue Regelung. Der in den LTC3880/-1 integrierte A/D-Umsetzer ermöglicht die Messung und Programmierung mit einer Auflösung bis zu 16 bit.

Programmiergenauigkeit

U_A-Befehl:
- 12 bit Auflösung
- 5,5-V-Bereich, 1,375 mV pro Schritt
- 2,75-V-Bereich, 687 µV pro Schritt

Strombegrenzungs-Einstellpunkt:
- 3 bit Auflösung, Genauigkeit ±5 mV
- 25 mV bis 75 mV Spanne

Über-/Unterspannungsüberwachung U_A:
- 8 bit Auflösung, Genauigkeit ±2 %

Über-/Unterspannungsüberwachung U_E:
- 8 bit Auflösung, Genauigkeit ±2 %

Messgenauigkeit:

Eingangsstromstärke I_E:
- 16 bit Auflösung pro Phase und kombiniert

Eingangsspannung U_E:
- 16 bit Auflösung, Genauigkeit ±2 %

Ausgangsspannung U_A:
- 16 bit Auflösung, Genauigkeit ±0,5 %

Ausgangsstromstärke I_A:
- 16 bit Auflösung
- ±1 % für 6 mV Messspannung
- Kalibrierfaktor für den Gleichstrom-Widerstand

Die mit der von Linear Technology angebotenen Entwicklungs-Software LTpowerPlay erstellten Konfigurationen für das Controller-IC (LTC3880 bzw. LTC3880-1) lassen sich per I²C-Schnittstelle im internen EEPROM des Controller-ICs ablegen. Der Speicher auf dem Chip ermöglicht spezielle anwendungsspezifische Einstellungen und das autonome Hochfahren des Controllers, ohne den Hostprozessor zu belasten. Die Grundeinstellungen für Ausgangsspannung, Schaltfrequenz, Phase und Bausteinadresse können optional auch über externe Widerstände (Spannungsteiler) konfiguriert werden.

Die LTC3880/-1 enthalten Gate-Treiber, um N-Kanal-Leistungs-MOSFETs anzusteuern. Die beiden Con-troller-ICs für Abwärtswandler können an einer Eingangsspannung zwischen 4,5 V und 24 V arbeiten und Ausgangsspannungen zwischen 0,5 V und 5,5 V mit einer Genauigkeit von ±0,50 % bei einer Ausgangsstromstärke bis zu 30 A pro Phase über den vollen Betriebstemperaturbereich (-40 °C bis +105 °C) generieren. Der LTC3880/ -1 kann ebenfalls MOSFET-Halbbrücken (Power Block von Texas Instruments) oder DrMOS-Bausteine von Fairchild ansteuern.

Dank der minimalen Einschaltzeit von 90 ns eignen sich die Conroller-ICs für kompakte Wandlerschaltungen mit hohen Schaltfrequenzen und/oder kleinem Übersetzungsverhältnis (UA/UE). Das genaue Timing über mehrere Controller-ICs hinweg und die ereignisorientierte Ablaufsteuerung erlauben die Optimierung des Ein- und Ausschaltens von komplexen Systemen mit mehreren Versorgungsspannungspegeln.