Datenverarbeitungssysteme werden zunehmend komplexer und verlangen ein intelligentes Powermanagement. Ein digitaler Hybrid-Controller, der interne A/D- und D/A-Wandler sowie Signalverarbeitungstechniken nutzt, um die geforderten Leistungsdaten zu erreichen, kann als Basis für ein modernes Powermanagement dienen.

Über die digitale Schnittstelle der Bausteine können Entwickler die Kompensation der Regelschleife ohne Änderungen der Widerstands- oder Kondensatorwerte modifizieren. Zwar lassen sich bei digitalen Controllern Basisparameter über Widerstände konfigurieren, doch liegt die Flexibilität dieser Bausteine in den Steuerungsmöglichkeiten per Software über den PMBus.

Eckdaten

Wie der mit einem analogen PWM-Controller und PMBus-Schnittstelle ausgestattete digitale Hybrid-Controller ISL68200 von Intersil Stromversorgungsentwicklungen für unterschiedliche Anwendungsbereiche vereinfacht, zeigt dieser Beitrag. Dazu werden die hysteretische Current-Mode-Topologie sowie die Resistor-Reader-Schnittstelle des Bausteins untersucht, und der interne R4-Modulator mit spannungsgeregelten und Modulatoren mit konstanter Einschaltzeit (COT) verglichen. Ferner wird gezeigt, wie sich die Betriebsparameter des Controllers per Software konfigurieren lassen.

Über die PMBus-Schnittstelle lassen sich Ein- und Ausgangsspannungen sowie Ströme und Temperaturen messen und die Messwerte an einen entfernten Prozessor melden, der auf der Basis dieser Informationen das Stromversorgungssystem administriert.

Software statt Widerstände und Kondensatoren

Damit Entwickler jedoch diese Leistungsmerkmal nutzen können, ist ein anderer Ansatz erforderlich, der, statt Widerstände und Kondensatoren zu wählen, die Benutzeroberfläche (GUI) einer Software nutzt. Möglicherweise können Ingenieure bei manchen Stromversorgungssystemen auf die Programmierbarkeit eines digitalen PMW-Controllers verzichten, wünschen sich aber die Mess- und Überwachungsmöglichkeiten des PMBus.

Mit dem digitalen Hybrid-Controller ISL68200 (Bild 1), der einen analogen PWM-Controller mit dem PMBus vereint, lässt sich die Entwicklung von Stromversorgungen vereinfachen. Zur Vereinfachung der Konfiguration nutzt der Baustein die Resistor-Reader-Technologie.

Bild 1: Beschaltung des digitalen Hybrid-PWM-Controllers ISL68200 mit PMBus-Ausgang.

Bild 1: Beschaltung des digitalen Hybrid-PWM-Controllers ISL68200 mit PMBus-Ausgang. Intersil

Die Resistor-Reader-Schnittstelle erlaubt die Selektion der meisten Konfigurationsparameter durch die Wahl eines passenden Widerstandswerts, der mit speziellen Programmieranschlüssen verbunden ist. Mithilfe dieser Informationen stellt der Resistor Reader die Betriebsparameter des Controllers ein.

Leistungs-FETs direkt ansteuern

Beim ISL68200 handelt es sich um einen einphasigen synchronen Abwärtwandler, der mit Eingangsspannungen von 4,5 bis 24 V arbeitet und am Ausgang Spannungen von 0,5 bis 5,5 V zur Verfügung stellt. Der Baustein enthält integrierte Treiber und kann N-Kanal-Leistungs-FETs ansteuern. Im ISL68200 integriert sind ein R4-Modulator, ein Resistor Reader sowie eine PMBus-Schnittstelle.

Der R4-Regelschleifen-Modulator ist mit seiner Current-Mode-Schaltung für die Qualität des Einschwingverhaltens zuständig. Über die Resistor-Reader-Schnittstelle lassen sich über zehn verschiedene Konfigurationsparameter einstellen. Mit der PMBus-Schnittstelle des ISL68200 sowie der GUI des Power-Navigators lassen sich Energieversorgungen vereinfacht einrichten und konfigurieren.

R4-Regelschleifen-Modulatortechnologie

Der PWM-Modulator mit R4-Technologie (Rapid Robust Ripple Regulator) sorgt dafür, dass der Baustein das von modernen CPUs und GPUs benötigte schnelle Einschwingverhalten der Stromversorgung erreicht. Beim PWM-Modulator handelt es sich um eine analoge Regelschleife, die auf einer hysteretischen Current-Mode-Topologie basiert.

Bild 2: Blockschaltung der ISL68200-Regelschleife mit synthetischem Ripple-Generator.

Bild 2: Blockschaltung der ISL68200-Regelschleife mit synthetischem Ripple-Generator. Intersil

Die Regelschleife des ISL68200 (Bild 2) trifft Regelschleifenentscheidungen mithilfe eines intern erzeugten synthetischen Stromsignals. Der synthetische Ripple-Generator erzeugt eine Stromwellenform auf Basis der Eingangsspannung VIN sowie der erwarteten Ausgangsspannung VOUT (eingestellt durch VDAC).

Zwei identische Ströme, I1 und I2, durchfließen die Widerstände R1 und R2, um die Schwellenwerte für ein Hysteresefenster einzustellen. Das Rückkopplungssignal setzt die zentrale Schwelle des Hysteresefensters fest. Jede Änderung des Rückkopplungssignals infolge von Schwankungen der Ausgangsspannung des Reglers modifiziert die Hysteresefensterspannungen.

Diese werden über zwei Komparatoren mit der synthetischen Ripplestrom-Welligkeit verglichen. Beide Komparatorausgänge regeln das PWM-Flipflop, um das Tastverhältnis des PWM festzulegen.

Reaktionsschnelle Hybrid-Controller

Bild 3: Einschwingverhalten des ISL68200 bei einem 12-A-Lastschritt.

Bild 3: Einschwingverhalten des ISL68200 bei einem 12-A-Lastschritt. Intersil

Der Modulator erzeugt das PWM-Signal, indem er die Ausgangsspannung mit dem synthetisch erzeugten Ripple-Signal vergleicht. Ein Hauptvorteil des Designs ist, dass es eine außergewöhnlich hohe Bandbreite der Regelschleife bietet und von Grund auf stabil ist. Die Schleife ist kompensationsfrei und kann sowohl das Tastverhältnis als auch die Schaltfrequenz einstellen, um schnell auf Lasttransienten zu reagieren.

Im Labor erfolgte ein Vergleich des Einschwingverhaltens des ISL68200 mit Voltage-Mode- und COT-Controllern (Constant on Time). Alle drei Schaltungen waren identisch und wie folgt konfiguriert:

  • Vin = 12,0 V
  • Vout = 1,0 V
  • Schaltfrequenz = 500 kHz
  • Lout = 220 nH, DCR = 0,25 mΩ
  • Cout = 220 µF x4, ESR = 4 m/Kondensator (Keramik-MLCC-Kondensatoren)

Bild 3 zeigt die Reaktion des ISL68200 bei einem Lastschritt von 12 A. Die Lastschrittabweichung war sowohl beim Voltage-Mode- als auch beim COT-Controller geringer. Andere Parameter, zum Beispiel die Abweichung der Lastfreigabe, wurden ebenfalls verglichen. Die Leistungsdaten des ISL68200 waren in sämtlichen Aspekten dem Verhalten bei transienter Last überlegen.

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