Steuerung von Stromversorgungen

Digital löst Analog ab

DC/DC-Wandler mit herkömmlicher analoger Ansteuerung machen heute nur noch geringe Fortschritte in Sachen Wirkungsgrad und Leistungsdichte – den Hauptkriterien bei der Auswahl der Stromversorgung. Die digitale Steuerung der Stromversorgung – auch als Digital Power bezeichnet – gewinnt daher zunehmend Marktanteile, da sie wesentlich mehr Vorteile bietet als die analoge Variante.

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Bild 1. In einem digital geregelten Gleichspannungswandler (Tiefsetzsteller) wird die ehemals analog ausgeführte Regelschaltung mit digitaler Signalverarbeitung ersetzt.

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Bild 1. In einem digital geregelten Gleichspannungswandler (Tiefsetzsteller) wird die ehemals analog ausgeführte Regelschaltung mit digitaler Signalverarbeitung ersetzt.

Jeder digitale Leistungswandler enthält eine Kombination aus Analog- und Digitalschaltkreisen. Bei einem „Digital Power“-Wandler erfolgt die interne Steuerung und Regelung eines Leistungswandlers mittels digitaler Schaltkreise anstelle analoger Schaltungen. Bei einem einfachen Abwärtswandler kommt dabei ein Analog/Digital-Umsetzer (ADU) statt des herkömmlichen Fehlersignal- Rückkopplungsverstärkers zum Einsatz. Der Pulsweitenmodulator, der die Leistungstransitoren ansteuert, arbeitet digital und wird von DSP-Technik gesteuert – anstelle von Spannungsreferenz, Sägezahn-Generator und Komparator (Bild 1).

Digitale Controller in DC/DCWandlern bieten die Möglichkeit, zusätzlich Powermanagement-Funktionen auszuführen – Überwachung, Steuerung und Kommunikation mit externer Logik. Das „Digital-Power- Management“ lässt sich so zu vernachlässigbaren Kosten in den digitalen Controller integrieren. Spezielle Powermanagement-ICs sind dann auf der Leiterplatte nicht mehr erforderlich. Ihr Platz wird frei, und gleichzeitig vereinfacht sich die Kommunikation zwischen den Controllern in den Wandlern und dem übergeordneten Mess-/Steuerungs-Subsystem. Zur Kommunikation wird bevorzugt der PMBus-Standard (Power Management Bus) genutzt, der auf der I²C-Bus- Hardware (Inter IC-Bus) basiert. Mehrere Halbleiterhersteller bieten heute ICs an, die alle Funktionen enthalten, um „Digital-Power“-Wandler mit minimaler externer Bauteilanzahl zu entwickeln.

Weniger Bauteile bedeutet: kleinere Stellfläche des Wandlers auf der Leiterplatte, höhere Zuverlässigkeit und geringere Kosten. Außerdem: Die digitalen Werte, die den Betrieb des Wandlers steuern, unterliegen keiner Zeit- oder Temperaturdrift.

Anforderungen an einen digitalen Wandler

Eine grundlegende Anforderung an einen digital geregelten Gleichspannungswandler ist der gleiche Wirkungsgrad, den der beste analog geregelte DC/DC-Wandler erzielt – ohne dabei die elektrische Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen, einschließlich Regelungsgenauigkeit, Transientenverhalten oder Ausgangsrauschen.

Nahezu alle Leistungswandler arbeiten bei geringen Lasten mit bescheidenem Wirkungsgrad. Die meisten analog geregelten DC/DC-Wandler erreichen erst oberhalb 15 % bis 20 % ihrer Ausgangsleistung einen akzeptablen Wirkungsgrad. Diese Wandler bieten typischerweise bei 50 % bis 70 % ihrer Volllast den maximalen Wirkungsgrad – genau diesen Lastbereich nehmen die Entwickler der DC/DC-Wandler als den vom Anwender bevorzugten Lastbereich an. Bis vor kurzem reichte dieser Betriebsbereich noch für die meisten Systeme mit konstanter Last aus. Heutige Systeme werden aber so entwickelt, dass sie, wann immer es möglich ist, so viele Funktionen wie möglich abschalten, um Strom einzusparen.

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Bild 2. Wirkungsgrad- vergleich zweier Zwischenkreis-DC/DC-Wandler (12 V/33 A, Quarter-Brick-Format): oben) der beste analog geregelte Gleich- spannungswandler (PKM 4304B PI); unten) ein gut entwickelter, digital geregelter DC/DC-Wandler (BMR453).

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Bild 2. Wirkungsgrad- vergleich zweier Zwischenkreis-DC/DC-Wandler (12 V/33 A, Quarter-Brick-Format): oben) der beste analog geregelte Gleich- spannungswandler (PKM 4304B PI); unten) ein gut entwickelter, digital geregelter DC/DC-Wandler (BMR453).

Der dynamische Betrieb fordert von einer Stromversorgung aber weit mehr, als nur von niedriger Last an aufwärts mit hohem Wirkungsgrad zu arbeiten. Denn die Lastschwankungen können sich wie ein Dominoeffekt auf die Eingangsspannung der Wandler auswirken und deren Regelung beeinträchtigen. Ein gut entwickelter, digital geregelter DC/DC-Wandler erzielt bereits ab etwa 10 % der Volllast den gleichen oder einen höheren Wirkungsgrad als die Analogvariante (Bild 2). Der Vorteil des digital geregelten Gleichspannungswandlers liegt im flachen Wirkungsgradverlauf über den Lastbereich von 10 % bis zu 100 % und in der geringeren Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Eingangsspannung.

Eine wesentliche Technik, mit der digital geregelte Gleichspannungswandler einen höheren und konstanteren Wirkungsgrad als ihre analog geregelten Brüder erreichen, ist die Anpassung der Totzeit zwischen den Einschaltphasen der Leistungstransistoren. Um den höchsten Wirkungsgrad zu erzielen, müsste die Umschaltung zwischen den beiden Leistungs-MOSFETs (siehe Bild 1) ohne Zeitverzögerung erfolgen. Um aber zu verhindern, dass beide Transistoren zur gleichen Zeit eingeschaltet sind und zerstört werden, arbeiten die meisten DC/DC-Wandler mit einer festen Totzeit, in der beide Transistoren gesperrt sind. Eine an die Betriebsbedingungen anpassbare Totzeit kann den Wirkungsgrad des DC/DCWandlers um mehrere Prozentpunkte erhöhen. Ein Halbleiterhersteller hat sich diese Technik patentieren lassen. Sie funktioniert auch bei einem analog geregelten Gleichspannungswandler. In einem digitalen Controller lässt sich diese Totzeitregelung aber wesentlich einfacher und flexibler realisieren.

Für die meisten Entwickler liegt ein Nachteil der digital geregelten Leistungswandlung in der Lernkurve, die sie durchlaufen müssten. Analog geregelte Gleichspannungswandler nutzen Widerstände und Kondensatoren, um Pole und Nullstellen der Übertragungsfunktion einzustellen, die das dynamische Verhalten der Regelschleife und deren Stabilität beeinflussen – und auch die Totzeit variieren. Digital geregelte Gleichspannungswandler arbeiten mit Zahlenwerten. Mit den geeigneten Regelalgorithmen und der Möglichkeit, in Echtzeit je nach Lastbedingung und -zustand zwischen verschiedenen PID-Werten (Proportional Integral Differential) zu wechseln, kann ein digital geregelter DC/DC-Wandler eine analog geregelte Wandlerschaltung stets übertreffen.

Trotz der Anstrengungen der Halbleiterhersteller, Entwicklungsumgebungen anzubieten, die das Anpassen der Regelschleife eines digital geregelten Wandlers vereinfachen, ist das Entwickeln robuster Firmware weiterhin eine große Anstrengung. Viele Entwickler bevorzugen deshalb vorqualifizierte Digital-Power-Wandlermodule, anstatt eine eigene Schaltung zu entwickeln und sich dessen Herausforderungen zu stellen.

1. Teil: Digital löst Analog ab
2. Teil: Per Software konfigurieren
3. Teil: PMBus ermöglicht schnellen Prototypenbau

Weiterführende Links:

• Batterien & Ladekonzepte 2011: Programm online!