Hochstromversorgung verlangt nach gesteuerten Wandlern

Neuerdings wird für Monitoring, Einstellungen und Statusmeldungen auch die digitale Steuerung gefordert. Hohe Effizienz ist essenziell in verteilten Systemen mit hohem Umsetzverhältnis von Zwischenspannungen auf die niedrigen Versorgungsspannungen bei hohen Strömen, um thermische Probleme durch schlechte Wandlungseffizienz zu minimieren. Hostsys­teme können über dutzende lokale Spannungen mit unterschiedlichen Leistungspegeln verfügen. In Datacomsystemen können z.B. bis zu 50 Point-of-Load Spannungen vorkommen mit Strömen, die bis zu mehreren hundert Ampere betragen. Deshalb wünschen die Systemdesigner ein einfaches Monitoring, eine einfache Spannungseinstellung samt -Limits und ein problemloses Sequenzing. Außerdem wollen sie alle Parameter wie Spannung, Strom und Temperatur auslesen können und Zugriff auf Fehlerreports haben. Eine populäre Lösung, Systeme mit vielen Spannungsrails zu steuern, sind digitale Kommunikationsbusse, genannt “Digital Power” oder “Power System Management (PSM)”. Diese ermöglicht den Entwicklern die Steuerung, das Monitoring und die Überwachung von dutzenden Rails in Echtzeit. Die Möglichkeit, die Stromversorgungsparameter digital zu ändern, reduziert die Zeit zur Markteinführung und die Abschaltzeiten, die früher notwendig waren bei Änderungen der Hardware, von Schaltungen und/oder von Modifikationen des gesamten Systems. Neue PSM Produkte werden zunehmend über 2-Drahtbusse wie PMBus konfiguriert und gesteuert. Er ist ein offener Standard mit einem auf I²C-basierten digitalen Interfaceprotokoll. Dies ermöglicht die nahtlose Integration von PMBus Geräten in existierende embedded Systeme und Architekturen, in Controllerboards und von intelligenten Plattformmanagement Interfacefunktionen. Für Unkompliziertheit und einfachen Gebrauch, besonders in einer frühen Stufe der Hardwareentwicklung und des Tests, ist es üblich, mit den PSM Geräten über ein Graphical User Interface (GUI) zu kommunizieren, das auf einem PC mittels USB-zu-PMBus Dongle läuft. PSM kann verwendet werden, um die Leistung eines abgesetzten Spannungsreglers zu überwachen und Meldungen über den korrekten Betrieb abzugeben, was Eingriffe ermöglicht, wenn die Spezifikationen nicht eingehalten werden oder Fehler auftreten. PSM ermöglicht dem Anwender auch Informationen über die Last vom System zu sammeln. Damit ergeben sich folgende Vorteile: Schnellere Markteinführung

• Änderung der Parameters ohne Änderung des Leiterplattenlayouts
• Schnelle Systemcharakterisierung, Optimierung und Datenerfassung

Sicheres Erfassen der Lastparameter

• Steuerung von Genauigkeit über 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 Veränderungen über 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 großen Multirailsystemen zu erfüllen. Zusätzlich zu einem definierten Satz an Standardkommandos können in PMBus konformen Geräten für weitere innovative Merkmale auch eigene Kommandos implementiert werden. Die Standardisierung der meisten Kommandos und des Datenformats ist ein großer Vorteil für OEMs, die solche Systemboards herstellen. Das Protokoll ist mittels dem seriellen Standard SMBusTM Interface implementiert und ermöglicht Programmierung, Steuerung und das Echtzeitmonitoring von Leistungswandlern. Die Standardisierung der Kommandosprache und des Datenformats ermöglichen eine einfache Firmwareentwicklung und die Wiederverwendung durch OEMs, was die Markteinführung verkürzt. Mehr hierzu unter: http://pmbus.org. PSM wird adoptiert da es präzise Information über Leistungssysteme liefert sowie wegen der Möglichkeit der unabhängigen Steuerung und Überwachung vieler Spannungen. Linear Technology bietet verschiedene PSM Produkte für diese Anforderungen an und entwickelt regelmäßig neue. Neuester PSM DC/DC Controller Der LTC3882 ist der neueste in den Markt eingeführte 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 unabhängige Ausgangsspannung von 0,5 V bis 5,25 V. Bis zu vier LTC3882s können überlappend parallel arbeiten und so Ausgangsrails realisieren mit bis zu acht Phasen für Ströme bis zu 40 Ampere pro Phase. Mehrfach 6- oder 8-Phasendesigns können auch entwickelt werden, wenn der Leistungsbedarf oder die Zuverlässigkeit noch mehr Phasen erfordert. Ist das onboard EEPROM einmal programmiert, kann der LTC3882 autonom ohne Hostunterstützung arbeiten, dies sogar im Fehlerfall. Bild 1 zeigt eine typische Applikation des LTC3882-1. Bild 1: Typische Applikation des LTC3882 Internal Architecture Für hohe Abwärtswandlungsverhältnisse und schnelles Ansprechen auf Lasttransient arbeitet der LTC3882 mit konstanter Frequenz und mit einer leistungsfähigen Spannungsmodulations Architektur. Diese Archi­tektur arbeitet in Kombination mit einem sehr geringen Offset, einem Fehlerverstärker hoher Bandbreite und interner Vorwärtsregelungs-Kompensation. Diese passt den Duty Cycle bei Änderung der Eingangsspannung an und reduziert Ausgangsüberschwinger oder -Unterschwinger im Falle von Transienten. Beide Kanäle verfügen über eine Ausgangsspannungsfühlerleitung, um Spannungsabfall durch lange Leiterplattenbahnen zu kompensieren. Eine separate Regelschleife gewährleistet sehr stabile Gleichspannung und dynamische Mehrphasen Lastaufteilung, wenn Ausgänge parallel arbeiten. Bild 2 zeigt das Transientenverhalten für 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 verfügt über selektierbare PWM Steuerprotokolle für den Anschluss von nachfolgenden Leistungsstufen, die über 3,3 V-kompatible Steuereingänge verfügen. Der Anwender kann so die optimale Leistungsstufe nach seinen Designanforderungen wählen: diskrete FET Treiber, DrMOS Bauteile oder Leistungsblöcke. Je Kanal kann die passende Leistungsstufe ausgewählt werden. Somit kann für jede Rail eine optimale Aufteilung nach Leistung, Größe und Kosten erfolgen. Eine leistungsfähige Modulation ermöglicht schnelles, Ansprechen in einem Zyklus auf Ausgangslastwechsel, ohne Einschränkung durch einen minimalen Dutycycle. Die PWM Ausgangssteuerimpulse können bei dieser Schaltung für hohe Abwärtswandlungsverhältnisse sehr klein sein und die minimale Ein-Zeit ist normalerweise begrenzt durch das Design der Leistungsstufe, nicht durch den Control­ler selbst. In den meisten kompakten Lösungen ist es möglich, nur einen Keramik Ausgangskondensator einzusetzen. Der LTC3882 bietet eine aktive Festlegung der Spannungshöhe (program­mable active voltage positioning = AVP), was eine weitere Optimierung des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) bewirkt und die Reduktion der Größe des Ausgangskondensators. Je nach Applika­tion kann die Spitzeneffizienz oder die Höhe der Auflösung durch die Wahl der optimalen Arbeitsfrequenz priorisiert werden. Der LTC3882 arbeitet mit programmierbaren Schaltfrequenzen von 250 kHz bis 1,25 MHz, so können die Spulengröße 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 Fühlerbetrieb für hohe Leistungen Bei hohen Strömen muss die Wandlungseffizienz maximiert werden, um die Wärmeerzeugung zu begrenzen und die Kosten für den Kühlaufwand wegen der Verluste im leitenden Zustand. Dabei ist es wichtig, Verluste durch das Stromfühlerelement zu minimieren, um eine maximale Gesamteffizienz zu erzielen, da dieses Element immer den vollen Laststrom und zusätzlich den Ripplestrom trägt. Der LTC3882 arbeitet mit konventionellen Fühlerwiderstands Topologien zusammen aber auch mit DCR Fühlerschaltungen, die nur einige zehn Millivolt erzeugen. Die PWM Architektur mit fester Rampenspannung ermöglicht die Steuerung des Duty Cycle mit großen 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 für 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 gewünschten durchschnittlichen Ausgangswert zu erhalten. Im gezeigten Fall hat der Wandler einen eindrucksvollen typischen Ausgangsfehler von nur ±0,2 % und einen Worste case Fehler über die Temperatur von ±0,5 %. Bei Betrieb mit Mehrphasen Einfachausgang bietet der LTC3882 eine separate Stromaufteilungsschleife, die für akkurate Lastaufteilung sorgt, dies stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber konventionellen Wandlern mit Spannungsmode dar. Die Ausgangskanäle werden durch Pinbeschaltung als Steuermaster oder –Slave 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 Infor­mation und die primäre COMP Steuerspannung des Masters, um den eigenen Ausgangsstrom an den des Masters anzupassen. Bild 4 zeigt wie diese Anpassung bei schnellen Lastwechseln dynamisch erfolgt. Präzise Telemetrie Der LTC3882 überwacht kritische Versorgungsparameter mit einem internen 16-bit ADC. Dabei ist digitales Auslesen über PMBus möglich von Eingangs- und Ausgangsspannung, vom Ausgangsstrom, vom Duty Cycle und von den Temperaturen. Der LTC3882 verfolgt, bestimmt und liefert Spitzenwerte dieser Parameter. Über die übliche Versorgungsparameter Telemetrie hinaus meldet der LTC3882 eine breite Palette an internen und externen Statusinformation mittels PMBus an den Systemhost. Schnelles, programmierbares Fehlerverhalten Fehler können erkannt und kommuniziert werden über 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 für 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 schützen. Die PMBus Befehle können dann verwendet werden um Reaktionen auf höherwertige/kritischere Fehler für das System zu konfigurieren, und es kann entschieden werden, welche Fehler über den gemeinsamen Fehlerbus weiter gemeldet werden. Das bietet Flexibilität bei der dynamischen Fehlerbehandlung auf Systemebene auch nachdem die Hardware entwickelt und gefertigt wurde. Der LTC3882 bietet auch extensive Log­ging Möglichkeiten, die die Betriebsbedingungen des Wandlers vor Auftreten eines Fehlers aufzeichnen. Diese Aufzeichnung erfolgt im internen EEPROM wie in einer Blackbox und kann für Systemdiagnose oder nachfolgende Fehlersuche nach abnormalen Verhalten verwendet werden. Vorteile von PSM Es gibt viele Gründe für den Einsatz eines PSM Controllers. Die PMBus Kommandos können verwendet werden, um die Ausgangsspannung, den Spannungsmargin, die Schaltfrequenz, das Ausgangs Ein/Aus Sequencing und andere Betriebsparameter einzustellen. Insgesamt unterstützt der LTC3882 über 100 PMBus Kommandos, die standardmäßigen und die kundenspezifischen. Der prinzipielle Vorteil der Programmierbarkeit sind die reduzierten Designkosten und die schnelle Markteinführung. Ist das fundamentale Hardware Makrodesign geschaffen, können schnell viele Variationen kreiert und in Betrieb genommen sowie verifiziert werden durch einfache Anpassung digital programmierbarer Parameter im LTC3882 Controller. Falls notwendig können Anpassungen auch noch nach der Fertigung erfolgen, einschließlich dem synchronisierten Re-Sequencing/Retiming der Rails. In Kombination mit der Programmierung der Schlüsselparameter mittels externer Widerstände wird eine Flexibilität geboten, die jedes Risiko vermeidet sowie eine Überarbeitung der Leiterplatte oder einer zusätzlichen Handverdrahtung wegen Änderungen in letzter Minute oder verändertem Systemeinsatz. Mehrere endgültige Konfigurationen einschließlich der kundenspezifischen Werksprogrammierung können im internen EEPROM abgelegt werden. Ist die gewünschte Konfiguration gespeichert, schaltet sich der Controller automatisch in den gewählten Zustand ein, ohne den Host mit zusätzlicher Programmierung zu belasten. Ist diese endgültige EEPROM Konfiguration geladen, können zusätzlich die optionalen Programmierwiderstände verwendet werden, um einige Schlüsselparameter wie die Ausgangsspannung, die Frequenz oder die Phasenzuteilung zu ändern. Das vom LTC3882 unterstützte Mehrfachadressierungs-Schema ermöglicht es einem System mit anderen Geräten global oder selektiv zu kommunizieren: auf der Rail, auf Geräteebene oder einem individuellen Kanal, dies entsprechend den jeweiligen Anforderungen an die Steuerung und das Monitoring. Der PMBus ermöglicht hochwertigen Systembetrieb wie z.B. hocheffiziente Lastaufteilung bei Hochstromanforderungen. Diese Funktionen sind in großen Systemen mit konventionellen Wandlern kosteneffizient nicht möglich oder gar unmöglich. Schlussbemerkung PSM ist eine Möglichkeit für den Systemdesigner, Stromversorgungen mittels eines bestehenden Systemhostprozessor oder einer einfachen PC Anbindung zu steuern. Dieses Merkmal ist während der Entwicklung und Fehlersuche hilfreich, und versetzt den Designer in die Lage, ein System schnell aufzubauen und in Betrieb zu nehmen mit der Möglichkeit, die Versorgungsspannung, deren Grenzen und Sequencing ohne Hardware/Schaltungsänderungen oder Bauteilemodifikationen einzustellen. Für Systeme mit vielen Rails, die hohe Ströme tragen und für OEMs, die volle Kontrolle über ihre Leistungssystem haben wollen, ist PSM ein einfaches, praktisches und leistungsstarkes Werkzeug. ----- Von Bruce Haug, Senior Product Marketing Engineer, Power Products, © Linear Technology Corporation