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Point-of-Load-Wandler

Hundert Ampere und mehr

9. September 2014, 8:25 Uhr | von Dr. Fariborz Musavi

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Automatisch abgestimmt

Diese Topologie handhabt also Spannungsabweichungen während eines Lastsprungs und sorgt für einen stabilen Betrieb, vor allem bei sich schnell ändernden Bedingungen. Verknüpft man sie mit einem Digital-Power-Controller, lässt sich ein digital geregeltes Stromversorgungs-Subsystem erstellen. Mit einem solchen digitalen Reglerbaustein lassen sich Kompensations- und Regelungsfunktionen implementieren, die bei herkömmlichen analogen Schaltkreisen nicht möglich sind. Digitale Schaltregler können daher die Leistungsfähigkeit der Stromversorgungsschaltkreise einfach und automatisch optimieren.

Früher wurde die Kompensationsfunktion eines digitalen Spannungsreglers manuell implementiert – als PID-Regelschleife. Dies erfolgte über ein Softwarewerkzeug, über das der Entwickler alle externen Komponenten des Strompfads eingab. Das Tool stellte dann die PID-Eingaben für die GUI (Graphical User Interface) bereit. Das Verhalten wurde durch Koeffizienten eingestellt, und deren Kombination bestimmte die Reaktion des Spannungsreglers. Dies war besser als ein Analogsystem, aber immer noch statisch und eher für Worst-Case-Bedingungen ausgelegt.

Automatisch abgestimmt

Mit einer dynamischen digitalen PID-Regelschleife, bei der die Koeffizienten dynamisch eingestellt werden, lässt sich der Spannungsregler in Echtzeit unter genauen Bedingungen konfigurieren und regeln. Der Schaltkreis wird wesentlich stabiler, das Systemverhalten lässt sich überwachen, und man kann die Leistungsfähigkeit des Spannungsreglers im Laufe der gesamten Produktlebensdauer immer wieder neu abstimmen. Ein wesentlicher Vorteil der digitalen Implementierung ist die flexible Steuerungsarchitektur, mit der sich mehrere Regelschleifen parallel betreiben lassen.

In CUIs neusten Wandlern in SEPIC-gespeister Buck-Topologie kommt der zweiphasige Digital-Controller »ZL8800« von Intersil zum Einsatz, der auf der »ChargeMode«-Technologie des Halbleiterherstellers basiert. Der kompensationsfreie ZL8800 unterstützt eine Kombination aus uniformem und Multi-Rate-Regler – eine Technik, die eine stabile Stromversorgung bereitstellt und schnell auf plötzliche Laständerungen reagiert.

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Der Kompensator im Inneren des Controllers kann über zwei parallele Pfade eine Fehlerspannung verarbeiten, die mit hoher Rate abgetastet wird. Der sogenannte »Fast Path« tastet die Fehlerspannung häufiger ab als der andere (Slow Path). Bei diesem neuen Kompensatoraufbau wird der Arbeitszyklusbefehl zurückgekoppelt, um die Auswirkung des Fast-Path zu bestimmen und diese in den folgenden Zyklen aufzuheben. Damit wirkt sich eine Spannungsänderung nur auf wenige Zyklen aus, was eine Instabilität verhindert, wie sie zuweilen bei weniger ausgereiften PID-Reglern auftritt.

Selbst bei hochkompakten, effizienten PoL-Wandlern besteht immer
die Anforderung, deren Platzbedarf weiter zu senken. So gibt es Anwendungen, deren Höhe quasi unbegrenzt ist, und andere, deren Höhe extrem begrenzt ist; alle Möglichkeiten müssen mit entsprechenden PoL-Wandlern abgedeckt werden. Daher stehen solche Stromversorgungen meist in zwei Formfaktoren zur Verfügung – mit flachen Varianten mit niedriger Bauhöhe und hohen Varianten, die Leiterplattenfläche sparen (Bild 3).

Über den Autor:

Dr. Fariborz Musavi ist Director of Engineering von CUI.