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© linear technology Application Notes | 03 August 2015

Hochstromversorgung verlangt nach gesteuerten Wandlern

Die zunehmende Komplexit√§t gro√üer Computersysteme hat auf die Hersteller von Stromversorgungen Druck ausge√ľbt, Effizienz, Genauigkeit und Transientenverhalten zu verbessern.
Neuerdings wird f√ľr Monitoring, Einstellungen und Statusmeldungen auch die digitale Steuerung gefordert. Hohe Effizienz ist essenziell in verteilten Systemen mit hohem Umsetzverh√§ltnis von Zwischenspannungen auf die niedrigen Versorgungsspannungen bei hohen Str√∂men, um thermische Probleme durch schlechte Wandlungseffizienz zu minimieren. Hostsys¬≠teme k√∂nnen √ľber dutzende lokale Spannungen mit unterschiedlichen Leistungspegeln verf√ľgen. In Datacomsystemen k√∂nnen z.B. bis zu 50 Point-of-Load Spannungen vorkommen mit Str√∂men, die bis zu mehreren hundert Ampere betragen. Deshalb w√ľnschen die Systemdesigner ein einfaches Monitoring, eine einfache Spannungseinstellung samt -Limits und ein problemloses Sequenzing. Au√üerdem wollen sie alle Parameter wie Spannung, Strom und Temperatur auslesen k√∂nnen und Zugriff auf Fehlerreports haben. Eine popul√§re L√∂sung, Systeme mit vielen Spannungsrails zu steuern, sind digitale Kommunikationsbusse, genannt ‚ÄúDigital Power‚ÄĚ oder ‚ÄúPower System Management (PSM)‚ÄĚ. Diese erm√∂glicht den Entwicklern die Steuerung, das Monitoring und die √úberwachung von dutzenden Rails in Echtzeit. Die M√∂glichkeit, die Stromversorgungsparameter digital zu √§ndern, reduziert die Zeit zur Markteinf√ľhrung und die Abschaltzeiten, die fr√ľher notwendig waren bei √Ąnderungen der Hardware, von Schaltungen und/oder von Modifikationen des gesamten Systems. Neue PSM Produkte werden zunehmend √ľber 2-Drahtbusse wie PMBus konfiguriert und gesteuert. Er ist ein offener Standard mit einem auf I¬≤C-basierten digitalen Interfaceprotokoll. Dies erm√∂glicht die nahtlose Integration von PMBus Ger√§ten in existierende embedded Systeme und Architekturen, in Controllerboards und von intelligenten Plattformmanagement Interfacefunktionen. F√ľr Unkompliziertheit und einfachen Gebrauch, besonders in einer fr√ľhen Stufe der Hardwareentwicklung und des Tests, ist es √ľblich, mit den PSM Ger√§ten √ľber ein Graphical User Interface (GUI) zu kommunizieren, das auf einem PC mittels USB-zu-PMBus Dongle l√§uft. PSM kann verwendet werden, um die Leistung eines abgesetzten Spannungsreglers zu √ľberwachen und Meldungen √ľber den korrekten Betrieb abzugeben, was Eingriffe erm√∂glicht, wenn die Spezifikationen nicht eingehalten werden oder Fehler auftreten. PSM erm√∂glicht dem Anwender auch Informationen √ľber die Last vom System zu sammeln. Damit ergeben sich folgende Vorteile: Schnellere Markteinf√ľhrung
  • √Ąnderung der Parameters ohne √Ąnderung des Leiterplattenlayouts
  • Schnelle Systemcharakterisierung, Optimierung und Datenerfassung
Sicheres Erfassen der Lastparameter
  • Steuerung von Genauigkeit √ľber die Zeit und die Temperatur
  • Margining zur Erfassung der FPGA Toleranz
  • Verbesserte Systemeffizienz bei Lastabfall
Sicheres Erfassen der Systemparameter
  • Digitaler Zugriff auf die Boardlevel Powerdiagnostik
  • Monitoring und lokalisieren der Gesamtstromaufnahme
  • Fehler Management und Registrierung
Präzises Erfassen der Daten Center Parameter
  • Erkennen von Schwankungen und Ver√§nderungen √ľber die Zeit sowie Trends in der Stromaufnahme
  • Entwicklung von vorausschauenden Analysen zur Minimierung der Betriebskosten
  • Treffen von Energiemanagement Entscheidungen
Die PMBus Befehlssprache wurde entwickelt, um die Anforderungen von gro√üen Multirailsystemen zu erf√ľllen. Zus√§tzlich zu einem definierten Satz an Standardkommandos k√∂nnen in PMBus konformen Ger√§ten f√ľr weitere innovative Merkmale auch eigene Kommandos implementiert werden. Die Standardisierung der meisten Kommandos und des Datenformats ist ein gro√üer Vorteil f√ľr OEMs, die solche Systemboards herstellen. Das Protokoll ist mittels dem seriellen Standard SMBusTM Interface implementiert und erm√∂glicht Programmierung, Steuerung und das Echtzeitmonitoring von Leistungswandlern. Die Standardisierung der Kommandosprache und des Datenformats erm√∂glichen eine einfache Firmwareentwicklung und die Wiederverwendung durch OEMs, was die Markteinf√ľhrung verk√ľrzt. Mehr hierzu unter: http://pmbus.org. PSM wird adoptiert da es pr√§zise Information √ľber Leistungssysteme liefert sowie wegen der M√∂glichkeit der unabh√§ngigen Steuerung und √úberwachung vieler Spannungen. Linear Technology bietet verschiedene PSM Produkte f√ľr diese Anforderungen an und entwickelt regelm√§√üig neue. Neuester PSM DC/DC Controller Der LTC3882 ist der neueste in den Markt eingef√ľhrte synchrone Zweikanal DC/DC Step-down PWM Controller mit PMBus-konformen seriellem Interface. Er arbeitet an Eingangsspannungen von 3 V bis 38 V und jeder Kanal liefert eine voneinander unabh√§ngige Ausgangsspannung von 0,5 V bis 5,25 V. Bis zu vier LTC3882s k√∂nnen √ľberlappend parallel arbeiten und so Ausgangsrails realisieren mit bis zu acht Phasen f√ľr Str√∂me bis zu 40 Ampere pro Phase. Mehrfach 6- oder 8-Phasendesigns k√∂nnen auch entwickelt werden, wenn der Leistungsbedarf oder die Zuverl√§ssigkeit noch mehr Phasen erfordert. Ist das onboard EEPROM einmal programmiert, kann der LTC3882 autonom ohne Hostunterst√ľtzung arbeiten, dies sogar im Fehlerfall. Bild 1 zeigt eine typische Applikation des LTC3882-1. Bild 1: Typische Applikation des LTC3882 Internal Architecture F√ľr hohe Abw√§rtswandlungsverh√§ltnisse und schnelles Ansprechen auf Lasttransient arbeitet der LTC3882 mit konstanter Frequenz und mit einer leistungsf√§higen Spannungsmodulations Architektur. Diese Archi¬≠tektur arbeitet in Kombination mit einem sehr geringen Offset, einem Fehlerverst√§rker hoher Bandbreite und interner Vorw√§rtsregelungs-Kompensation. Diese passt den Duty Cycle bei √Ąnderung der Eingangsspannung an und reduziert Ausgangs√ľberschwinger oder -Unterschwinger im Falle von Transienten. Beide Kan√§le verf√ľgen √ľber eine Ausgangsspannungsf√ľhlerleitung, um Spannungsabfall durch lange Leiterplattenbahnen zu kompensieren. Eine separate Regelschleife gew√§hrleistet sehr stabile Gleichspannung und dynamische Mehrphasen Lastaufteilung, wenn Ausg√§nge parallel arbeiten. Bild 2 zeigt das Transientenverhalten f√ľr die Schaltung in Bild 1 bei einem 15 A Lastsprung. Die maximale Abweichung von der nominalen Ausgangsspannung ist kleiner als 25 mV. Selektion der Leistungsstufen Jeder Kanal des LTC3882 verf√ľgt √ľber selektierbare PWM Steuerprotokolle f√ľr den Anschluss von nachfolgenden Leistungsstufen, die √ľber 3,3 V-kompatible Steuereing√§nge verf√ľgen. Der Anwender kann so die optimale Leistungsstufe nach seinen Designanforderungen w√§hlen: diskrete FET Treiber, DrMOS Bauteile oder Leistungsbl√∂cke. Je Kanal kann die passende Leistungsstufe ausgew√§hlt werden. Somit kann f√ľr jede Rail eine optimale Aufteilung nach Leistung, Gr√∂√üe und Kosten erfolgen. Eine leistungsf√§hige Modulation erm√∂glicht schnelles, Ansprechen in einem Zyklus auf Ausgangslastwechsel, ohne Einschr√§nkung durch einen minimalen Dutycycle. Die PWM Ausgangssteuerimpulse k√∂nnen bei dieser Schaltung f√ľr hohe Abw√§rtswandlungsverh√§ltnisse sehr klein sein und die minimale Ein-Zeit ist normalerweise begrenzt durch das Design der Leistungsstufe, nicht durch den Control¬≠ler selbst. In den meisten kompakten L√∂sungen ist es m√∂glich, nur einen Keramik Ausgangskondensator einzusetzen. Der LTC3882 bietet eine aktive Festlegung der Spannungsh√∂he (program¬≠mable active voltage positioning = AVP), was eine weitere Optimierung des √§quivalenten Serienwiderstands (ESR) bewirkt und die Reduktion der Gr√∂√üe des Ausgangskondensators. Je nach Applika¬≠tion kann die Spitzeneffizienz oder die H√∂he der Aufl√∂sung durch die Wahl der optimalen Arbeitsfrequenz priorisiert werden. Der LTC3882 arbeitet mit programmierbaren Schaltfrequenzen von 250 kHz bis 1,25 MHz, so k√∂nnen die Spulengr√∂√üe und der Ausgangsstromripple (deutsch = brumm) optimiert werden. Der LTC3882 kann auch als gemeinsamer PWM Taktmaster arbeiten oder zur Synchronisation auf andere Systemzeitbasen an externem Takt arbeiten. DCR F√ľhlerbetrieb f√ľr hohe Leistungen Bei hohen Str√∂men muss die Wandlungseffizienz maximiert werden, um die W√§rmeerzeugung zu begrenzen und die Kosten f√ľr den K√ľhlaufwand wegen der Verluste im leitenden Zustand. Dabei ist es wichtig, Verluste durch das Stromf√ľhlerelement zu minimieren, um eine maximale Gesamteffizienz zu erzielen, da dieses Element immer den vollen Laststrom und zus√§tzlich den Ripplestrom tr√§gt. Der LTC3882 arbeitet mit konventionellen F√ľhlerwiderstands Topologien zusammen aber auch mit DCR F√ľhlerschaltungen, die nur einige zehn Millivolt erzeugen. Die PWM Architektur mit fester Rampenspannung erm√∂glicht die Steuerung des Duty Cycle mit gro√üen Signalen und eliminiert Rauschprobleme durch DCR Designs, die im Strommode arbeiten. Bild 3 zeigt die Effizienz und die Leistungsverluste der Schaltung nach Bild 1.
Bild 2: Transientverhalten der Schaltung nach Bild 1 Selektion der Leistungsstufen ----- Bild 3: Verlauf von Effizienz und Leistungsverlust f√ľr 12 V Eingang bei 1 V Ausgang ----- Bild 4: Dynamisches Lastbalanzierung bei einem Ausgangstransienten ----- Bilder mit Zoomfunktion
Der LTC3882 bietet optional eine digitale Ausgangsservofunktion. Im Betrieb wird dann der Kanalspannungs-Ausgang des 16-bit ADC verwendet, um den gew√ľnschten durchschnittlichen Ausgangswert zu erhalten. Im gezeigten Fall hat der Wandler einen eindrucksvollen typischen Ausgangsfehler von nur ¬Ī0,2 % und einen Worste case Fehler √ľber die Temperatur von ¬Ī0,5 %. Bei Betrieb mit Mehrphasen Einfachausgang bietet der LTC3882 eine separate Stromaufteilungsschleife, die f√ľr akkurate Lastaufteilung sorgt, dies stellt eine wesentliche Verbesserung gegen√ľber konventionellen Wandlern mit Spannungsmode dar. Die Ausgangskan√§le werden durch Pinbeschaltung als Steuermaster oder ‚ÄďSlave festgelegt. Der IAVG Pin des Masterkanals liefert eine Spannung analog dem momentanen Ausgangsstrom. An diesem Anschluss befindet sich ein Filterkondensator mit 100 pf bis 200 pf, der mit der Slavephase verbunden ist. Der Slave nutzt diese Infor¬≠mation und die prim√§re COMP Steuerspannung des Masters, um den eigenen Ausgangsstrom an den des Masters anzupassen. Bild 4 zeigt wie diese Anpassung bei schnellen Lastwechseln dynamisch erfolgt. Pr√§zise Telemetrie Der LTC3882 √ľberwacht kritische Versorgungsparameter mit einem internen 16-bit ADC. Dabei ist digitales Auslesen √ľber PMBus m√∂glich von Eingangs- und Ausgangsspannung, vom Ausgangsstrom, vom Duty Cycle und von den Temperaturen. Der LTC3882 verfolgt, bestimmt und liefert Spitzenwerte dieser Parameter. √úber die √ľbliche Versorgungsparameter Telemetrie hinaus meldet der LTC3882 eine breite Palette an internen und externen Statusinformation mittels PMBus an den Systemhost. Schnelles, programmierbares Fehlerverhalten Fehler k√∂nnen erkannt und kommuniziert werden √ľber den gemeinsamen Fehlerbus zwischen den LTC3882s mit anderen Bausteinen der PSM Familie von Linear Technology wie dem LTC3880. Der LTC3882 hat einen Standard open-drain ALERT Ausgang f√ľr die Anzeige einer Vielzahl von Fehlerkonditionen an den Bushost. Der LTC3882 implementiert schnelle Hardwarereaktion mit geringem Aufwand auf weniger kritische Fehler, um die Leistungsstufe und die angeschlossene Systemlast zu sch√ľtzen. Die PMBus Befehle k√∂nnen dann verwendet werden um Reaktionen auf h√∂herwertige/kritischere Fehler f√ľr das System zu konfigurieren, und es kann entschieden werden, welche Fehler √ľber den gemeinsamen Fehlerbus weiter gemeldet werden. Das bietet Flexibilit√§t bei der dynamischen Fehlerbehandlung auf Systemebene auch nachdem die Hardware entwickelt und gefertigt wurde. Der LTC3882 bietet auch extensive Log¬≠ging M√∂glichkeiten, die die Betriebsbedingungen des Wandlers vor Auftreten eines Fehlers aufzeichnen. Diese Aufzeichnung erfolgt im internen EEPROM wie in einer Blackbox und kann f√ľr Systemdiagnose oder nachfolgende Fehlersuche nach abnormalen Verhalten verwendet werden. Vorteile von PSM Es gibt viele Gr√ľnde f√ľr den Einsatz eines PSM Controllers. Die PMBus Kommandos k√∂nnen verwendet werden, um die Ausgangsspannung, den Spannungsmargin, die Schaltfrequenz, das Ausgangs Ein/Aus Sequencing und andere Betriebsparameter einzustellen. Insgesamt unterst√ľtzt der LTC3882 √ľber 100 PMBus Kommandos, die standardm√§√üigen und die kundenspezifischen. Der prinzipielle Vorteil der Programmierbarkeit sind die reduzierten Designkosten und die schnelle Markteinf√ľhrung. Ist das fundamentale Hardware Makrodesign geschaffen, k√∂nnen schnell viele Variationen kreiert und in Betrieb genommen sowie verifiziert werden durch einfache Anpassung digital programmierbarer Parameter im LTC3882 Controller. Falls notwendig k√∂nnen Anpassungen auch noch nach der Fertigung erfolgen, einschlie√ülich dem synchronisierten Re-Sequencing/Retiming der Rails. In Kombination mit der Programmierung der Schl√ľsselparameter mittels externer Widerst√§nde wird eine Flexibilit√§t geboten, die jedes Risiko vermeidet sowie eine √úberarbeitung der Leiterplatte oder einer zus√§tzlichen Handverdrahtung wegen √Ąnderungen in letzter Minute oder ver√§ndertem Systemeinsatz. Mehrere endg√ľltige Konfigurationen einschlie√ülich der kundenspezifischen Werksprogrammierung k√∂nnen im internen EEPROM abgelegt werden. Ist die gew√ľnschte Konfiguration gespeichert, schaltet sich der Controller automatisch in den gew√§hlten Zustand ein, ohne den Host mit zus√§tzlicher Programmierung zu belasten. Ist diese endg√ľltige EEPROM Konfiguration geladen, k√∂nnen zus√§tzlich die optionalen Programmierwiderst√§nde verwendet werden, um einige Schl√ľsselparameter wie die Ausgangsspannung, die Frequenz oder die Phasenzuteilung zu √§ndern. Das vom LTC3882 unterst√ľtzte Mehrfachadressierungs-Schema erm√∂glicht es einem System mit anderen Ger√§ten global oder selektiv zu kommunizieren: auf der Rail, auf Ger√§teebene oder einem individuellen Kanal, dies entsprechend den jeweiligen Anforderungen an die Steuerung und das Monitoring. Der PMBus erm√∂glicht hochwertigen Systembetrieb wie z.B. hocheffiziente Lastaufteilung bei Hochstromanforderungen. Diese Funktionen sind in gro√üen Systemen mit konventionellen Wandlern kosteneffizient nicht m√∂glich oder gar unm√∂glich. Schlussbemerkung PSM ist eine M√∂glichkeit f√ľr den Systemdesigner, Stromversorgungen mittels eines bestehenden Systemhostprozessor oder einer einfachen PC Anbindung zu steuern. Dieses Merkmal ist w√§hrend der Entwicklung und Fehlersuche hilfreich, und versetzt den Designer in die Lage, ein System schnell aufzubauen und in Betrieb zu nehmen mit der M√∂glichkeit, die Versorgungsspannung, deren Grenzen und Sequencing ohne Hardware/Schaltungs√§nderungen oder Bauteilemodifikationen einzustellen. F√ľr Systeme mit vielen Rails, die hohe Str√∂me tragen und f√ľr OEMs, die volle Kontrolle √ľber ihre Leistungssystem haben wollen, ist PSM ein einfaches, praktisches und leistungsstarkes Werkzeug. ----- Von Bruce Haug, Senior Product Marketing Engineer, Power Products, ¬© Linear Technology Corporation
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2019.03.20 22:26 V12.5.11-2