Steuerungstechnik der nächsten Generation für digitale Stromversorgungen

Bild 1: Microchips DSCs der dritten Generation ermöglichen schnellere und präzisere Regelschleifen sowie höhere Wirkungsgrade. Microchip

Digitale Steuerungstechnik erfreut sich dank ihrer Flexibilität und möglicher Wirkungsgrad-Verbesserungen bei Stromwandlung und -verteilung nachhaltiger Beliebtheit. Diese Vorzüge aber haben ihren Preis; sie sind das Ergebnis komplexer, leistungsfähiger und bei immer höheren Taktgeschwindigkeiten ausgeführter Algorithmen, die den Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen verbessern können.

Hersteller sehen die Optimierung von Schaltnetzteilen zunehmend als wichtige Gelegenheit zur Verbesserung des Wirkungsgrads in ihren Endprodukten. Das Problem dabei ist aber die Aufrechterhaltung eines effizienten Betriebs über eine breite und stark schwankende Vielfalt von Lastbedingungen. Mit Einführung der Leistungsfaktor-Korrektur und unter dem Druck von Markt und Regulationsvorschriften begann eine neue Ära der Zielvorstellungen für den Wirkungsgrad. Halbleiterhersteller, die an einer kontinuierlichen Verbesserung ihrer Lösungen für die digitale Leistungssteuerung arbeiten, widmen dieser Technik große Aufmerksamkeit. Wenn sie mit der richtigen Hardware verknüpft sind, bieten Software-gestützte Algorithmen das Potenzial für flexiblere und effizientere Lösungen.

Digitale Steuerung

Stromwandlung beginnt zwangsläufig mit einer Wechselspannungsquelle, die zu Gleichstrom gleichgerichtet und anschließend über eine Reihe von Zwischenspannungen herunter gewandelt wird, bis schließlich die gewünschte Spannung an der Last erreicht wird (POL, Point of Load). Der Leistungsfaktor eines Systems ist das Verhältnis zwischen Wirk- und Scheinleistung. Je mehr sich dieses Verhältnis dem Wert Eins nähert, umso besser ist der Wirkungsgrad des Systems. Dabei verwendet man die Leistungsfaktor-Korrektur (PFC, Power Factor Correction) als Mittel zur Wiederherstellung dieses Verhältnisses zum Wert Eins (oder so weit wie möglich angenähert an diesen Wert). Dies lässt sich durch den Einsatz von Kondensatoren erreichen, in zunehmendem Maße aber ist hier auch der Einsatz einer PFC mit Aufwärts-, Abwärts- oder Auf/Abwärts -Wandlung unter digitaler Steuerung sinnvoll. Ein Hin- und Herwechseln zwischen den analogen und digitalen Signal-Domänen verursacht typischerweise zusätzliche Latenzzeiten oder Steuerschleifen-Delays. Dieses Delay bezeichnet die benötigte Gesamtzeit zur Anwendung einer Wandlungs-Änderung und zur nachfolgenden Messung der Auswirkungen dieser Änderung. Im stationären Zustand wäre dies relativ einfach, allerdings beeinflusst die Arbeitsgeschwindigkeit der Steuerschleife unter variablen Lastbedingungen unmittelbar die PFC-Funktion und den gesamten Wirkungsgrad.

Dieses Problem verschärft sich, wenn die POL-Stufe wie oft bei modernen Embedded-Systemen erforderlich eine niedrige Spannung bei hohen Stromwerten benötigt. Mikroprozessoren, FPGAs und ASICs arbeiten heute grundsätzlich bei niedrigen Spannungen von 3,3 V oder weniger, benötigen zur Abdeckung ihres Gesamt-Energiebedarfs aber einen wesentlich höheren Strom. Außerdem ändert sich dieser Bedarf je nach Betriebsanforderungen ganz erheblich.

Bild 2 zeigt, wie man digitale Steuerungstechnik im gesamten Stromwandlungs-Pfad zur Erzielung eines höheren Wirkungsgrads einsetzen kann, aber auch um die nötige Flexibilität zur Sicherung dieses Wirkungsgrades über einen weiten Lastbereich gewährleisten zu können. Möglich wurde dies durch eine kontinuierliche Entwicklung leistungsfähiger Algorithmen. Unter ihnen können adaptive Algorithmen auf Veränderungen der Lastwerte reagieren, während nichtlineare sowie prädiktive Algorithmen die dynamische Reaktion unter transienten Bedingungen verbessern können. Im Zuge der Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie können Hersteller dies nutzen, um die Leistung von digitalen Steuerungslösungen zu verbessern: Hier ermöglichen höhere Schaltfrequenzen nicht nur einen besseren Wirkungsgrad, sondern auch eine höhere Leistungsdichte.

Bild 2: DSCs im gesamten Stromwandlungs-Pfad gewährleisten einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich. Microchip

Digitale Signal-Controller

Der Einsatz digitaler Steuerungstechniken in Bereichen wie Stromwandlung, Motorantriebe und ähnlichen Anwendungen, die von adaptiver Steuerung profitieren können, führte zur Entwicklung von Digital Signal Controllern (DSC). Diese Bausteine vereinen die Vorteile eines häufig in Audio- oder Video-Verarbeitung verwendeten Digital Signal Prozessors (DSP) mit denen eines bewährten Mikrocontrollers. Dadurch bilden sie eine neue Bausteinklasse, die bestens zur Ausführung von Steuerungsalgorithmen geeignet ist, die für herkömmliche MCUs zu komplex wären; diese Bausteine enthalten zudem Peripherieschaltungen und Schnittstellen, über die ein typischer DSP nicht verfügt.

Auf dem Markt gibt es heute immer mehr DSCs, die alle diese Anforderungen erfüllen wollen. Die besten unter ihnen können auf eine kontinuierliche Historie architektonischer Verbesserungen verweisen, anhand derer Entwickler die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Steuerschleife in ihren Anwendungen weiter verbessern und damit die neuesten Entwicklungen bei Steueralgorithmen umfassend nutzen können.

DSCs sind im Prinzip die ultimative Mixed-Signal Lösung: Sie verbinden digitale Verarbeitung mit analogen Peripherieschaltungen. Weil diese beiden Bereiche für eine Gesamtlösung nahtlos zusammenarbeiten müssen, sind umfassend integrierte Bausteine hier das beste Konzept. Die Integration von Analog- und Digitaltechnologie auf einem einzigen Baustein kann allerdings Design-Kompromisse bedingen; daher ist eine gut abgestimmte Verbesserung der Leistung in beiden Domänen entscheidend, um bessere Lösungen erreichen zu können. Die wichtigsten Komponenten eines DSC sind ein Rechenkern, der die Signalverarbeitungs-Algorithmen effizient ausführen kann, sowie eine Signalumwandlung in Form eines oder mehrerer A/D-Wandler (ADC) und irgend eine Art von Pulsweitenmodulations- (PWM) Ausgang zur Ansteuerung von Leistungstransistoren wie etwa MOSFETs in den Aufwärts/Abwärts-Wandlerschaltungen. Die Integration dieser Elemente in einer einzigen Architektur und die Fähigkeit zur Unterstützung schneller Steuerschleifen sind entscheidend für den Aufbau eines erfolgreichen DSC, der wiederum den Kern effizienter AC/DC- und DC/DC-Stromwandlerschaltungen bildet.

Bild 3: Der dsPIC33 enthält einen Prozessorkern mit 70 MIPS, Flash und RAM sowie diverse digitale und analoge Schnittstellen. Microchip

Mixed-Signal-Lösung

Aus der dritten Generation von Microchips DSC-Produktfamilie bietet der dsPIC33EP GS gegenüber der zweiten Generation eine nochmals verbesserte Leistung in diesen kritischen Bereichen. Gegenüber dem bisherigen Wert von 50 MIPS liefert der Prozessorkern nun eine Rechenleistung von 70 MIPS. Darüber hinaus enthält er Funktionen wie kontextabhängig wählbare Arbeitsregistersätze, mit denen sich die Leistung für digitale Stromwandler-Anwendungen über das dem verbesserten MIPS-Wert entsprechende Maß hinaus steigern lässt. Dank der Erweiterung um zwei zusätzliche Arbeitsregister-Sätze unterstützt der Core jetzt ein fast sofortiges Kontext-Switching. Die Leistung der analogen Peripherieschaltungen wurde ebenfalls gegenüber früheren Generationen verbessert. So bieten beispielsweise Produkte in dieser Familie bis zu fünf 12-Bit A/D-Wandler mit einer A/D-Wandlungslatenz von nur noch 300 ns (gegenüber bisherigen 600 ns). Im Zusammenspiel ermöglichen diese Verbesserungen eine Verringerung der Latenzzeit eines dreipoligen Three-Zero-Kompensators von etwa 2 µs auf weniger als 1 µs, und damit eine Senkung der Phasenerosion für eine bessere Stabilität. Schnellere Steuerschleifen erlauben auch höhere Schaltfrequenzen und bessere Transienten-Reaktionen. Diese Leistungsverbesserungen sind die Voraussetzungen für einen besseren Wirkungsgrad und als Folge eine höhere Leistungsdichte. Stromversorgungen lassen sich damit kompakter, mit weniger und kleineren diskreten passiven Komponenten aufbauen.

Bild 4: Das Digital-Power-Starter-Kit ermöglicht Entwicklern einen schnellen Einblick in die Funktionsumfänge des dsPIC33. Microchip

Eine weitere architektonische Verbesserung in der GS-Serie ist die Einführung doppelter Flash-Partitionen, was eine Live-Update-Funktion ermöglicht. Damit kann man einen Steuerungsalgorithmus oder eine beliebige andere vom DSC ausgeführte Software im Feld bei aktiver Versorgungsspannung aktualisieren. Die neue Software wird in die zweite, inaktive Flash-Partition geladen. Anschließend schaltet der Core nach einer Verifizierung des geladenen Codes auf die zweite Partition um, und führt den dortigen Code aus. Diese Funktion ist besonders nützlich für Anwendungen mit hohen Verfügbarkeitsanforderungen, etwa für Server-Stromversorgungen, bei denen selbst kleine Verbesserungen des Wirkungsgrads zu großen Einsparungen bei den Betriebskosten führen können. Ohne diese Live-Update-Funktion könnte man die Software bei solchen Anwendungen entweder nur während turnusmäßigen (oder ungeplanten) Wartungsunterbrechungen des Betriebs durchführen, oder man müsste den Code unverändert behalten, und könnte damit potenzielle Verbesserungen nicht nutzen. Natürlich sind diese beiden Möglichkeiten in Server-Umgebungen kaum wünschenswert.

Die Leistungsverbesserung geht weiter

Digitale Steuerungstechniken in der Stromwandlung entwickeln sich immer weiter. Zunehmend werden sie dank ihrer Flexibilität und möglicher Wirkungsgrad-Verbesserungen analoge Techniken ersetzen. Auch wenn Komplexität für Entwickler fraglos ein wichtiger Aspekt ist, können die Vorteile der neuen Technik überzeugen. Einmal abgesehen von regulatorischen Vorgaben, ermöglicht der Einsatz digitaler Steuerungstechniken eindeutig bessere Stromwandlungs-lösungen, und mit der Einführung von Live-Update selbst bei High-Availability-Anwendungen auch einen Aufrüstungspfad für bereits im Einsatz befindliche Lösungen.

Digitale Steuerungstechnik hat mit DSCs in dieser und vielen anderen Anwendungen ihren Gipfelpunkt erreicht, wenn komplexe Algorithmen auf analoge Hochleistungs-Peripherieschaltungen treffen. Die reale Welt der Mixed-Signal-Lösungen bietet weiterhin auf allen Ebenen Möglichkeiten zur Leistungsverbesserung. Umfassend integrierte, leistungsfähige und programmierbare Lösungen wie die Familie dsPIC33EP GS stehen an vorderster Front der DSC-Technologie; für Stromversorgungs-Entwickler öffnen sie das Tor zur Steuerungstechnik der nächsten Generation.

(jwa)