Die Zeiten, in denen eine oder höchstens zwei Versorgungsspannungen ausreichten, um ein System mit Strom zu versorgen, sind für viele Anwendungen vorbei. Besonders Systeme, welche analoge Schaltungskomponenten sowie digitale Steuerungen beinhalten, benötigen häufig fünf oder mehr unterschiedliche Versorgungsspannungen. Diese Spannungen lassen sich mit einzelnen Schalt- beziehungsweise Linearreglern unabhängig voneinander generieren.
Bild 1: Ein verteiltes Stromversorgungskonzept mit individuellen DC/DC-Wandlern ist teuer und platzraubend.Analog Devices
Diese Vorgehensweise führt jedoch zu einer gewissen Schaltungsunordnung. Meistens arbeiten die Schaltregler mit unterschiedlichen Schaltfrequenzen. Dabei kommt es zu Frequenzüberlagerungen, welche die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beeinträchtigen können. Ein Beispiel dazu ist ein Stromversorgungskonzept mit unterschiedlichen Schaltreglern, um eine industrielle Messtechnik-Anwendung mit einem Stellglied zu versorgen (Bild 1).
Zu den Vorteilen einer solchen Variante zählen die Möglichkeiten, die DC/DC-Wandler dort zu platzieren, wo die jeweilige Spannung benötigt wird. Es besteht dabei die Flexibilität jeden DC/DC-Wandler einzeln auszuwählen. Verteilte Stromversorgungskonzepte haben jedoch weitere Nachteile, zum Beispiel brauchen sie viel Platz und erhöhen die Gesamtkosten.
Schalt- sowie Linearregler integrieren
Bereits frühzeitig auf hochintegrierte Stromversorgungen gesetzt haben Mobiltelefone. Hier gab es bereits während der Einführung der digitalen GSM-Netze in den frühen 90er Jahren die Bestrebung, DC/DC-Wandler höher zu integrieren, um Platz und Kosten zu sparen. Seitdem besteht eine große Anzahl an immer höher integrierten Stromversorgungslösungen. Viele dieser Produkte sind aber sehr spezifisch für den Mobiltelefonmarkt ausgelegt.
Bild 2: Mit einem hochintegrierten Stromversorgungskonzept sinken Aufwand, Kosten und Platzbedarf.Analog Devices
Die Eingangsspannungen sind zumeist nur für die Spannung von Litium-Ionen-Zellen (maximal bis 5 V) spezifiziert und die ICs sind derart auf ein Gerät optimiert, dass es nicht möglich ist, diese Stromversorgungs-ICs beispielsweise in der Industrieelektronik einzusetzen. Es gibt häufig nur kleine Gehäuse, welche eine aufwändige Verarbeitung benötigen. Die Ausgangspannungen sind fest eingestellt und lassen sich nicht auf andere Werte anpassen. Zudem passen die zur Verfügung gestellten Ströme meistens nicht.
Analog Devices hat ein hochintegriertes Stromversorgungskonzept entwickelt (Bild 2), das für typische Industrieanwendungen vier Spannungen mit maximal 4 A Stromstärke liefert. Nebenbei ist ein Linearregler vorhanden sowie ein I2C-Interface für umfangreiche Kommunikation zwischen der Stromversorgung und dem Mikrocontroller eines Systems.
Klein aber mit Anspruch
Eine solche hohe Integration nennt sich µPMU (Micro Power Management Unit). Mit diesen kleinen und hochintegrierten Bausteinen lassen sich kompakte, günstige sowie anspruchsvolle Stromversorgungen umsetzen (Bild 3).
Auf einen Blick
Mit hochintegrierten Stromversorgungen, sogenannten µPMUs lassen sich Systemkosten einsparen. Die Verfügbarkeit von digitaler Anbindung mit I2C ist durch das Integrieren von mehreren DC/DC-Wandlern, im direkten Vergleich mit einzelnen Schaltreglern, die jeweils ihr eigenes digitales Interface besitzen, erschwinglich.
Die Kosten reduzieren sich nicht nur dadurch, dass weniger Halbleiterbausteine notwendig sind, sondern auch dadurch, dass die Anforderung an die Eingangskondensatoren massiv sinkt.
Die integrierten Schaltregler im ADP5050 schalten synchronisiert auf einen Takt, jedoch mit Phasenversatz. Dadurch lässt sich die Eingangsspannungswelligkeit reduzieren und die Größe sowie Kosten für den Eingangskondensator sind kleiner. Ebenfalls zur Reduktion von Kosten und Bauform trägt die maximal mögliche Schaltfrequenz von 1,4 MHz bei. Dadurch lassen sich kleine Induktivitäten auswählen.
Mehr Freiheiten
Ein weiterer Freiheitsgrad ist die Möglichkeit, zwei der vier Schaltregler im ADP5050 bei halber Schaltfrequenz zu betreiben. Dadurch sind noch immer alle Schaltregler von einem gemeinsamen Takt getrieben, zwei davon arbeiten aber mit der Hälfte der Schaltfrequenz. Hiermit lässt sich bei einem gleichbleibend vorteilhaften EMV-Verhalten die Energieeffizienz des Systems erhöhen. Dies ist bei Anwendungen sinnvoll, bei welchen der DC/DC-Wandler mit besonders hohem Strom zur Reduzierung der Schaltverluste nur bei halber Schaltfrequenz läuft.
Bild 3: Durch die kleine Bauform des hochintegrierten Schaltreglers ADP5052 lassen sich kompakte Layouts entwickeln.Analog Devices
Diese modernen µPMUs sind flexibel: ihre Ausgangsspannungen lassen sich mit Widerstandsteilern nach Bedarf einstellen. Jeder integrierte DC/DC-Wandler verfügt über einen hochgenauen Enable-Anschluss, der sich für anspruchsvolle Sequencing-Anforderungen eignet. Durch das Regelkonzept des Peak-Current-Mode ist es möglich, zwei DC/DC-Wandler zusammenzuschalten, um höhere Ströme bereitzustellen. Es lassen sich also bis zu 8 A unter Verwendung von zwei Kanälen, bei sehr geringem EMV-Verhalten, generieren. Beide Kanäle arbeiten dann 180° phasenversetzt.
Im Vorschlag zum Platinenlayout (Bild 3) ist zu erkennen, dass es für ein sinnvolles Platzieren der externen Komponenten wichtig ist, ein durchdachtes Pinout am gewählten IC zu haben. Die Produktfamilie des ADP505x kommt in einem quadratischen Gehäuse, welches eine kompakte Schaltung erlaubt.
Bild 4: Die µPMU eignet sich mit ihren vier Ausgangsspannungen gut zum Ansteuern von FPGAs.Analog Devices
Weite Verbreitung von FPGAs
FPGAs wurden in den letzten Jahren immer günstiger und eignen sich inzwischen für viele Anwendungen. Sie benötigen mindestens zwei Versorgungsspannungen, in den meisten Fällen sogar wesentlich mehr. Etwa das System mit einem Altera-FPGA (Bild 4) benötigt Core-, IO- und Auxiliary-Spannung. Ein externer DDR-Speicher benötigt eine vierte Spannung. Manchmal ist noch eine kleine MGT-Spannung notwendig. Alle fünf Spannungen lassen sich mit einem ADP5050 erzeugen.
Wenn durch die Nutzung einer µPMU ein einzelner Stromversorgungs-IC im System ausreicht, um alle Versorgungsspannungen zu generieren, lässt sich mit einer Verbindung zwischen dem IC und dem Mikrocontroller im System eine noch engere Anbindung der Stromversorgung erreichen. Der Entwickler kann diese nutzen, um dynamisch einzelne Ausgangsspannungen zu verändern, Warnungen bei zu hoher Betriebstemperatur oder zu geringer Eingangsspannung zu geben sowie Einstellungen vieler weiterer Parameter vorzunehmen.
Digitale Funktion ohne digitales Powermanagement
Für die Funktionalität ist es nicht notwendig, eine digitale Stromversorgung mit erhöhtem Kostenaufwand einzusetzen. Es reicht eine Hybridlösung mit analogen DC/DC-Wandlern (Schaltregler mit analoger Regelschleife) sowie einem digitalen Interface, beispielsweise der ADP5050 oder ADP5051. Dies ermöglicht die Vorzüge von analog geregelten Stromversorgungen mit den erweiterten Funktionalitäten einer digitalen Stromversorgung bei niedrigen Kosten zu nutzen.
Bild 2 zeigt einen ADP5050 mit I2C-Interface. Dabei handelt es sich um ein Zweidraht-Master-Slave-Bussystem. Wenn beispielsweise die Versorgungsspannung zu niedrig ist oder wenn die Betriebstemperatur der Stromversorgung zu hoch liegt, lässt sich das System in einen sicheren Zustand bringen. Ebenfalls kann der Entwickler einzelne Versorgungsspannungen über die digitale Anbindung zu- und abschalten. In zukünftigen, stark vernetzten Industrieanwendungen wie bei Industrie 4.0, bei welchen unterschiedliche Systeme autonom miteinander kommunizieren, kommt einer intelligenten Stromversorgung immer größere Bedeutung zu.
Auswahl der externen Komponenten
Mittlerweile ist es für Anwender einfacher als früher, eine Stromversorgung mit einem Schaltregler-IC zu entwickeln. Es gibt Softwarehilfsmittel, bei denen man den Eingangsspannungsbereich sowie die gewünschten Ausgangsspannungen mit den jeweiligen Strömen angibt. Das Programm errechnet dann die optimalen externen Komponenten.
Für die µPMU-Familie ADP505x von Analog Devices kann man das passende Berechnungswerkzeug kostenfrei aus dem Produktordner auf der Firmenwebseite herunterladen. Solche Berechnungen können nach unterschiedlichen Entwicklungszielen optimiert werden. Nach folgenden Kriterien lassen sich passende Modelle zusammenstellen:
- Hohe Energieeffizienz
- Geringe Größe
- Niedrige Kosten
- Kleine Anzahl an passiven Bauteilen
Bild 5: Mit dem ADI-Sim-Power-Tool kann der Entwickler die passenden externen Bauteile ohne Schwierigkeiten auswählen.Analog Devices
Über den Bildschirm des ADI-Sim-Power-Tools (Bild 5) lassen sich die Eingaben vornehmen. Als Ergebnis kommt eine vollständige Stückliste sowie Berechnungen zur Energieeffizienz und Verhalten bei Lasttransienten. Auch ein Bode-Diagramm mit Informationen zur Regelschleifengeschwindigkeit sowie Stabilitätsverhalten lässt sich erstellen.
Brauchbare Ergebnisse
Die Resultate des Entwicklungswerkzeugs sind realitätsnah, da es auch Feinheiten berücksichtigt wie die Kernverluste der verwendeten Induktivitäten und die resultierende Kapazität bei Keramikkondensatoren mit DC-Vorladung. Gerade bei hochintegrierten Stromversorgungs-ICs ist es wichtig, auch die entstehende Verlustwärme frühzeitig zu untersuchen.
Dafür eignet sich das ADI-Sim-Power-Werkzeug, da es nicht nur die Effizienz der gesamten Stromversorgung berechnet sondern auch die Anteile der Verlustleistung, welche auf den µPMU-Schaltkreis selber anfallen. Aufgrund der berechneten Temperatur des Siliziums (Junction-Temperatur) kann der Entwickler schnell und einfach entscheiden, bis zu welcher Umgebungstemperatur ein Betrieb der Schaltung zulässig ist.
Bild 6: Bei der Entwicklung einer eigenen Stromversorgung hilft vorhandene und getestete Beispiel-Hardware, hier das Evaluierungsboards für den ADP5050.Analog Devices
Eva-Board
Bild 6 zeigt das verfügbare Evaluierungsboard. Neben dieser voll bestückten Schaltung ist es auch möglich, über das ADI-Sim-Power-Tool eine unbestückte Platine zu bestellen. Diese ist geeignet, eine Schaltung mit bereits vorhandenen passiven Komponenten schnell aufzubauen und zu testen.
Hochintegrierte Stromversorgungslösungen eröffnen mittlerweile in vielen unterschiedlichen Bereichen der Elektronikentwicklung diverse Möglichkeiten. Besonders auch wegen möglicher Systemkostenersparnis rechnet Analog Devices damit, dass sich in Zukunft die UPMUs in vielen Systemen durchsetzen. Die Verfügbarkeit von digitaler Anbindung mit I2C wird durch die Integration mit mehreren DC/DC-Wandlern erschwinglich; im Vergleich zu einzelnen Schaltreglern mit jeweils eigenem digitalen Interface.
Frederik Dostal
(rao)
