Digital Power Qualifizierung und Verifizierung digitaler Stromversorgungen

Digital geregelte und überwachte Stromversorgungen nehmen einen wachsenden Anteil im Markt für Leistungswandlung ein, vor allem im Bereich der Telekommunikation und Datenverarbeitung. „Digital Power“ ist ein dynamischer Markt, da die Digitaltechnik im Vergleich zu herkömmlichen, analog geregelten Stromversorgungen zahlreiche Vorteile bietet. Auf die Anbieter von digitalen Stromversorgungen und auf deren OEM-Kunden kommen aber auch neue Herausforderungen zu. Eine dieser Herausforderungen ist die Qualitätssicherung.

Ein herkömmlicher Leistungswandler mit analoger Regelung ist „fest verdrahtet“, um seine Spezifikationen auszuführen. Die normalen Verfahren zur Qualitätskontrolle sind dementsprechend auf Hardware ausgelegt. Bei digitalen Stromversorgungen sind die Wandler und Regler mittels Software konfigurierbar, was zu einer fast unendlich hohen Zahl möglicher Funktionen führt. Einige Qualitätssicherungs-Aspekte, die sich aus dieser Änderung ergeben, umfassen:

  • Verwalten der Software-Ebenen,
  • Verifikation des internen Speichers,
  • Beschaffung kritischer Komponenten für die digitale Regelung, komplexere Verifizierungstests,
  • Lebensdauer- und Zuverlässigkeits-Überlegungen sowie
  • Software-Upgrade-Verfahren und Fehleranalysen.

Digitale Regelung

Ein Vergleich der Unterschiede zwischen analoger und digitaler Regelung ist in Bild 1 dargestellt. Ein Großteil der internen Wandler-Komponenten bleibt beim Übergang von Analog auf Digital unverändert.

Eine digitale Regelung wirft aber auch Bedenken hinsichtlich der Qualitätssicherung auf:

  • Wie wird die Logistik gehandhabt - bei nahezu unendlich vielen Konfigurationsmöglichkeiten?
  • Die neue Komponente „Software“ muss verifiziert und qualifiziert werden.
  • Der interne Speicher muss äußerst zuverlässig sein. Wie wird sichergestellt, dass keine Daten verlorengehen?
  • Wie lässt sich beim Fertigungstest sicherstellen, dass die Stromversorgung mit der später im Betrieb gewünschten Konfiguration geprüft wird?

Software

Aus betrieblicher Sicht ist der größte Unterschied zwischen einer analogen und einer digitalen Regelung die zusätzliche Komponente „Software“, die dem Entwickler digitaler Stromversorgungen zahlreiche Vorteile bietet - aber auch zusätzlich Anforderungen an die Qualifizierung, Fertigung und Logistik stellt.

Mikrocontroller in digitalen Stromversorgungen sind mit integriertem, nicht flüchtigem Speicher ausgestattet. Darauf wird die Basis-Firmware gespeichert, die das Booten und den Betrieb des μC gewährleistet. Die Robustheit dieser Daten ist entscheidend für den Betrieb des Wandlers oder Reglers. Diese Basis-Firmware muss relativ stabil in Bezug auf Änderungen der μC-Hardware-Implementierung sein. Die Firmware wird während des Fertigungsprozesses des μC in den nicht flüchtigen Speicher des μC geladen.

Die interessantere und flexiblere Software-Komponente in einer digital geregelten Stromversorgung ist die Anwendungsprogrammierung. Dieser Code enthält Betriebsparameter für die Rückkopplungsschleife der Stromversorgung, Einstellungen für die Ausgangsspannung, Fehlererkennungs-Grenzwerte, Fehlerhandhabungs-Routinen und Sequenz-Informationen. Jede digitale Stromversorgung kann über einen weiten Bereich dieser Parameter arbeiten. Während des Herstellungsprozesses einer digitalen Standard-Stromversorgung werden die Werkseinstellungen definiert, eingegeben und vor dem Versand des Produkts verifiziert.

Zusätzlich müssen noch verschiedene andere Einstellungen getestet werden, um sicherzustellen, dass die Stromversorgung zuverlässig über den vorgesehenen Funktionsbereich arbeitet. Verkompliziert wird das Ganze, indem der Anwender (OEM) einen Teil der Anwendungsprogrammierung selbst übernehmen kann - sofern er das Produkt zusammen mit einem digitalen Power-Management einsetzt. Die Software und die Verfahren für deren Kontrolle und Qualitätssicherung müssen während der Herstellung, beim Kunden während der Produktentwicklung sowie im laufenden Betrieb an die Betriebsbedingungen angepasst werden.

Qualitätssicherung und ihre Folgen

Eine Qualitätssicherung bei digitalen Stromversorgungen muss sich über alle Betriebsprozesse erstrecken - von der Beschaffung der Komponenten bis hin zum Support (Bild 2).

Materialbeschaffung

Bei der gesamten Materialbeschaffung muss ein hoher Wert auf Qualität gelegt werden. Im Falle digitaler Stromversorgungen liegt die größte Herausforderung in der Verwaltung des μC - hinsichtlich der Beschaffung, aber auch der dazugehörigen Firmware. Am Markt gibt es nur wenige μCs für digitale Stromversorgungen. Sie sind sehr komplex und von Anbieter zu Anbieter meist nicht standardisiert. Ersatzlieferanten sind daher meist nicht möglich, womit eine sichere Beschaffung gewährleistet sein muss. Der Halbleiterhersteller sollte über zwei oder mehr Fertigungslinien verfügen und seine μCs regelmäßig auf allen Fertigungslinien produzieren und ausliefern, um Produktgleichheit zu gewährleisten und Anlaufschwierigkeiten an den jeweiligen Produktionsstandorten zu minimieren.

Zwischen den Herstellern digital geregelter Stromversorgungen und den jeweiligen μC-Anbietern sollte ein enger Kontakt und Dialog bestehen. Folgende Vorkehrungen sollten dabei getroffen werden:

  • Zwei oder mehr gleichwertige Produktionsstandorte für μC-Chips.
  • Integration eines sehr robusten, nicht flüchtigen Speichers und einer Kommunikationsschnittstelle.
  • Integrierte Fehlererkennungs-/-diagnose-Möglichkeiten der Digitalfunktionen.
  • Erweiterte Qualitätstests während des IC-Designs und Fertigungsprozesses.
  • Absicherung der Firmware-Programmierung während der IC-Fertigung.
  • Gründliche Kontrolle des Logistikflusses während der IC-Fertigung und Lieferung

Design Verification Testing (DVT)

Ein Design-Verifikationstest wird am Ende eines Produktentwicklungszyklus durchgeführt. Damit wird sichergestellt, dass das Produkt allen Anforderungen und Spezifikationen entspricht. Sowohl die Funktion als auch die Leistung müssen verifiziert werden. Bei Digital Power fällt auch die Software unter den Verifikationstest. Ein analoges Produkt weist einige sehr gut definierte Eckwerte in seiner Spezifikation auf. So können die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom und die Temperatur ein wichtiger Bestandteil der Spezifikation für analoge Stromversorgungen sein. Diese drei Parameter definieren einen dreidimensionalen Raum, z.B. einen Würfel. Durch Messungen an jeder der acht Ecken dieses Würfels (Eckwerte) wird der Betrieb des Produkts über den gesamten Betriebsbereich dieser drei Parameter garantiert.

Bei Digital Power ergibt sich eine völlig neue Situation. Da die Software in hohem Maße konfigurierbar ist und Dutzende von Parametern steuern kann, ist die Anzahl möglicher Kombination nahezu unbegrenzt und die Anzahl der Eckwerte steigt exponentiell.
Die Software ermöglicht es somit, eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Produkten zu definieren - nicht nur ein Produkt. Ericsson z.B. löst dieses Pro-blem durch einen intelligenten DVT-Prozess. Dabei wird Software für mehrere Plattform-Implementierungen definiert, mit der die zu erwartenden Anwendungsbereiche der Stromversorgung abgedeckt werden können. Jede dieser Implementierungen enthält eine Spezifikation der externen Funktionen, z.B. die Ausgangsspannung, die Fehler-überwachung und die Fehlerbehandlung. Und jede Implementierung definiert auch Parameter und Funktionen innerhalb der Stromversorgung, z.B. die Kompensationseinstellungen der Regelschleife. Für jede Konfiguration wird eine Prüfsumme generiert, um damit die Funktion des Speichers zu prüfen.

Ein weiterer Aspekt, der während des DVT besonders zu beachten ist, ist die elektromagnetische Störfestigkeit (EMS) des μC und des Speichers. Diese komplexen, kleinen ICs sind entscheidend für den Betrieb der Stromversorgung und sie befinden sich im Schaltregler in nächster Nähe zu Leiterbahnen mit hohen Strömen und elektromagnetischen Feldern. Ihre Robustheit muss in solch einer Umgebung sorgfältig geprüft werden, damit die Datenintegrität nicht beeinträchtigt wird.

Es muss auch sichergestellt sein, dass der Datenbus, der als Kommunikationsschnittstelle die Stromversorgung mit der Außenwelt verbindet, allen Anforderungen der jeweiligen Spezifikation entspricht. Dies ist wichtig, um ein nahtloses Zusammenarbeiten der Stromversorgung mit Host-Controllern in Kundensystemen zu garantieren und kompatibel zu allen anderen am Bus angeschlossenen Bausteinen zu kommunizieren.