Digital-Power-Entwicklungs-Kit mit 32-bit-XMC-Mikrocontroller
Digitale Stromversorgung leicht gemacht
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Digitale Regelarchitektur
Der Aufbau einer typischen digitalen Regelungsarchitektur ist in Bild 2 dargestellt. Die Abtastung erfolgt ähnlich wie bei einem analogen System, allerdings ersetzt hier ein A/D-Umsetzer (ADC) den analogen Fehlerverstärker und wandelt die abgetastete Spannung in einen digitalen Wert um.
Es ist vorteilhaft, wenn neben der Ausgangsspannung auch andere analoge Parameter wie Ausgangsstrom und Temperatur innerhalb der Stromversorgung bekannt sind. Diese Parameter können von getrennten A/D-Umsetzern oder aber einem A/D-Umsetzer, dem ein Multiplexer (MUX) vorgeschaltet ist, erfasst werden. Die von den A/D-Umsetzern erfassten Werte werden dann von einem Mikrocontroller für das System verarbeitet. Daraufhin führt der Controller mit Hilfe eines Regelungsalgorithmus eine Reihe von Berechnungen auf der Basis der Daten des A/D-Umsetzers durch. Die Ergebnisse sind Parameter wie das Fehlersignal, die gewünschte Pulsbreite für die Treiberstufe, optimierte Verzögerungswerte für die verschiedenen Treiberausgänge und Parameter für die Schleifenkompensation. Externe Bauteile zur Schleifenkompensation wie bei analogen Systemen werden somit hinfällig. Referenzwerte der Parameter wie Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und Temperaturgrenzwerte werden im nichtflüchtigen Speicher während der Fertigung der Stromversorgung abgelegt oder lassen sich beim Startup des Systems hochladen. Im Vergleich zur analogen Regelung ist wie erwähnt die digitale Regelung bei Änderungen der Netz- und Lastzustände flexibler. Analoge Lösungen sind meist nur für einen bestimmten Satz von Regelungsparametern konfiguriert; digitale Regelungen können die Parameter in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen oder auch von Alterungseinflüssen der Komponenten ändern. In analogen Systemen ist auch die Kompensation der Rückkopplungsschleife ein Kompromiss zwischen Stabilität und dynamischem Ansprechverhalten. Bei digitaler Regelung lässt sich eine nichtlineare oder adaptive Regelschleife entwickeln, welche den Kompensationsfaktor oder Regelschleifenalgorithmus in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen variiert. Zudem sind je nach Spannungstoleranz am Ausgang weniger Entkopplungskondensatoren erforderlich und es lassen sich Kosten, Bauteile und Platz einsparen. Außerdem ermöglicht die digitale Regelung eine Parallelisierung von Stromversorgungsstufen, wo je nach Last nur eine oder beide Stufen aktiviert sind. Dadurch entstehen Vorteile wie höhere Ausgangsspannungsqualität (weniger Ripple), Ersatz von defekten Teilen während des Betriebs (Hot Swapping), kleinere passive Komponenten usw. Diese Parallelisierung kann auch als Schutzmechanismus genutzt werden, wobei eine Stromversorgung als Backup nahezu nahtlos einspringt, wenn die andere defekt wird. Dies ist wichtig in kritischen Applikationen wie Medizinelektronik oder Datenzentren.
Digital Power Explorer Kit
Für den einfachen Einstieg in die Entwicklung digitaler Stromversorgungen steht das XMC Digital Power Explorer Kit zur Verfügung (Bild 3). Das Kit basiert auf den Mikrocontroller-Familien XMC4000/XMC1000, den N-Kanal-MOSFETs (OptiMOS BSC0924NDI) und High- sowie Low-Side-Treibern (IRS2011S). Das Entwicklungs-Kit zielt insbesondere auf Entwickler von Analog-Stromversorgungen sowie auf Embedded Software Designer, die sich schnell und einfach mit digitaler Stromregelung vertraut machen wollen.
Zum Lieferumfang des Kit gehören ein Leistungs-Board (synchroner Abwärtswandler) und zwei XMC Control Boards (bestückt mit einem XMC1300 oder XMC 4200). Das Buck Converter Board hat eine umschaltbare Widerstands-Last-Bank integriert. Diese kann zwischen 10, 55 und 100 Prozent der Volllast verändert werden.
Damit kann die Qualität der Regelschleife unter verschiedenen Lastbedingungen (z.B. Continuous Conduction Mode vs. Discontinuous Conduction Mode) getestet werden. Es werden Spannungs- und Spitzenstrom-Regelungen (mit Flankenkompensation) unterstützt (Bild 4). Das Leistungs-Board ist für eine Eingangsspannung von 12 V ausgelegt und liefert maximale Ausgangströme bis zu 2 A – abhängig von der eingestellten Last. Eine 12-V-Spannungsversorgung und alle erforderlichen Kabel gehören auch zum Lieferumfang.
Zum Kit gehören zwei Control-Card-Optionen: XMC1300 Control Card mit dem ARM Cortex-M0 Core und die XMC4200 Control Card (ARM Cortex-M4F). Der isolierte On-board Debugger ermöglicht Entwicklern die einfache Bedienung und Evaluierung der beiden Mikrocontroller-Familien, um den richtigen Baustein für ihre Applikation zu finden. So bietet der XMC4200 eine hochauflösende PWM-Einheit (150 ps), präzise Slope-Kompensierung und intelligente Analog-Komparatoren. Nutzt man die XMC1300 Control Card im Peak-Current-Modus, dann kann die auf dem Power Board integrierte Flankenkompensationsfunktion genutzt werden, da der Low-End-Mikrocontroller diese Funktion nicht aufweist. Die auf dem Board implementierte Flankenkompensationsfunktion ist nicht ganz so präzise und schnell wie die im XMC4200 integrierte Funktion. Dadurch kann ein Entwickler einfach abschätzen, ob für seine Anwendung eine kostenoptimierte Low-End-Lösung (XMC1300-basiert) oder eine High-Performance- (XMC4200-basierte) Lösung ausreicht.
Auf dem Power Board befinden sich mehrere Testpunkte, um einfach die Qualität der relevanten Signale überprüfen zu können. Für die Integration in komplexere Power-Management-Systeme steht optional die Kommunikation über den PMBus zur Verfügung.
Mit der kostenlosen Software-Umgebung (IDE) DAVE4 und verschiedenen Digital-Power-APPs kann das Potenzial der XMC-Mikrocontroller für digitale Stromversorgungen optimal genutzt werden.
Das Kit wurde von Infineon gemeinsam mit Biricha Digital Ltd. und Würth Elektronik entwickelt. Von Biricha Digital kommt das Power Board, in das jahrelange Erfahrung aus dem Bereich Training und Beratung rund um Digital Power eingeflossen ist. Würth Elektronik steuerte passive Komponenten und Steckverbindungen wie Induktivitäten und Kondensatoren bei, die für die digitale Leistungsregelung optimiert sind. Typische Anwendungen für das neue Kit sind DC/DC-Applikationen im Industriebereich, aber auch im Telekommunikations- und Datacom-Umfeld.
Der Autor
| Ivan Dobes |
|---|
| studierte Elektrotechnik an der Universität von Novi Sad in Serbien und verfügt zudem über einen MBA in Marketing (Munich Business School). Seit 2014 ist er bei Infineon und aktuell als Product Marketing Manager für XMC-MCUs verantwortlich für das Application Marketing mit Fokus auf Digital Power, Motorsteuerungen und LED-Lichtsteuerung. |
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