Cloud-Dienste sorgen für signifikante Fortschritte in den Bereichen Rechenzentrum, Netzwerk und Telekommunikationsanlagen. Normales Internet der Dinge (IoT) und Industrial Internet of Things (IIoT) umfassen gemeinsam bereits mehr Geräte mit IP-Adressen (Internet Protocol), die mit der Cloud verbunden sind, als es Menschen auf dem Planeten gibt. Dieses Wachstum wirkt sich stark auf die Server, Speicher und Netzwerk-Switches aus, die eine ständig wachsende Menge an Daten und Videos verarbeiten müssen. Es treibt die Infrastrukturausrüstung an die Grenzen der Rechenleistung und Bandbreite.

Eck-Daten

Um den gesteigerten Anforderungen entgegenzukommen, die mit dem Wachstum von Cloud-Diensten einhergehen, entwickelten Unternehmen wie Renesas Mehrphasenwandler. Dieser Artikel vergleicht verschiedene Regelungsverfahren und stellt auch eine neue mehrphasige Architektur vor, die die synthetische Stromregelung nutzt, um einen zyklischen Stromabgleich und ein schnelleres Einschwingverhalten zu ermöglichen.

Für Entwickler im Bereich Leistungselektronik besteht die größte Herausforderung darin, diese Anwendungen effizient zu betreiben, zu kühlen und gleichzeitig einen minimalen Stromverbrauch zu gewährleisten. Designer müssen auch die Leistungsbilanz der Platine mit der Thermik abgleichen, wenn sie moderne Prozessoren, ASICs und FPGAs verwenden.

Mehrphasenlösung zur Versorgung des IoT

Die Rechenleistung ist in Rechenzentren zentralisiert, in denen High-End-CPUs, digitale ASICs und Netzwerkprozessoren Server, Speicher und Netzwerkgeräte betreiben. Sie arbeiten im gesamten Netzwerk auch dezentral über Telekommunikationsanlagen verteilt sowie am Transaktionsort wie in Kassensystemen, Desktops oder Embedded-Computersystemen, die CPUs oder FPGAs nutzen.

Solche Geräte haben eines gemeinsam: Ihre Anforderungen an die digitale Verarbeitung weisen ein ähnliches Leistungsprofil auf. Mit schrumpfenden Prozessorgeometrien und erhöhter Transistoranzahl benötigen Prozessoren jetzt höhere Ausgangsströme, die im Bereich von 100 A bis 400 A oder mehr liegen können. Bild 1 veranschaulicht eine mehrphasige Lösung, die vier Phasen nutzt, um die CPU mit 150 A zu versorgen.

Während dieser Trend seit Jahren anhält, konnte sich die Branche durch die Integration von Betriebszuständen mit geringerem Energiebedarf an die digitalen Lasten anpassen. Dies ermöglicht es ihnen, bei niedrigeren Strömen im Leerlauf zu arbeiten und bei Bedarf die volle Leistung zu erreichen. Obwohl dies für die gesamte Systemleistung von Vorteil ist, stellt es eine weitere Herausforderung für den Entwickler dar, da das System den Volllaststrom von über 200 A bereitstellen und entsprechende Verlustleistung ableiten muss. Jedoch muss dabei die Stromversorgung auf einen großen Lastsprung von über 100 A in weniger als einer Mikrosekunde reagieren und die Ausgangsspannung in einem engen Regelfenster halten.

Die gängige Lösung bestand bisher darin, einen mehrphasigen DC/DC-Abwärtswandler zu verwenden, um die erforderliche Leistungsumwandlung zu bieten, typischerweise rund 1 V Ausgangsspannung aus einer 12 V Eingangsspannung. Um die großen Lastströme zu gewährleisten, ist es einfacher, eine mehrphasige Lösung zu entwerfen, die die Last auf kleinere Stufen verteilt, sogenannte Phasen, anstatt sie über eine Stufe bereitzustellen. Der Versuch, in einer Phase zu hohe Ströme zu verarbeiten, stellt Entwickler vor Herausforderungen beim Design der magnetischen Komponenten und der FETs sowie bei der Ableitung der Verlustwärme im Hinblick auf (I^2)*R. Eine mehrphasige Lösung bietet einen hohen Wirkungsgrad, kleinere Abmessungen und geringere Kosten als eine einzelne Stufe für hohe Ströme. Dieser Ansatz ist analog zum Trend bei Endlasten, bei denen sich Multicore-CPUs die Arbeitslast teilen.

Das richtige Kontrollsystem zur Phasenregelung wählen

Bild 1: Mehrphasige Lösung in vier Phasen.

Bild 1: Mehrphasige Lösung in vier Phasen. Renesas

Mehrphasenlösungen bieten zwar die beste Leistungsarchitektur, aber eine Implementierung müssen Entwickler sorgfältig evaluieren, damit die Lösung mit der neuesten Generation von Prozessoren kompatibel ist. Der Trend bei Endsystemen geht seit jeher in Richtung verbesserte Funktionen, kleinere Abmessungen und verbessertes Power-Management. Dies spiegelt sich in Leistungsdesigns wider, die ihre Schaltfrequenzen erhöhen, um die Größe zu minimieren und niedrigere Ausgangsspannungen mit höherem Strom bei Volllast und transienten Bedingungen bereitzustellen. Diese Trends haben zu Problemen bei der Regelung von Stromversorgungen geführt, weshalb sich die Regelkreise im Laufe der Zeit weiterentwickeln müssen, um Schritt zu halten. Die größte Herausforderung bei einem Mehrphasen-Controller ist die Regelung des Stroms in jeder Phase, was die Berücksichtigung folgender Schlüsselaspekte erfordert:

  • Jeder Phasenstrom muss einen gleichen Anteil der Last tragen. Bei einer Phasenanzahl N sollte der Strom für jede Phase immer die Bedingung erfüllen: Iphase = Iout / N
  • Phasenströme müssen im stationären Zustand und bei Transienten ausgeglichen sein.

Es ist wichtig, diese Bedingungen einzuhalten, um eine Überdimensionierung der Stromversorgung zu vermeiden. Um die beiden oben genannten Bedingungen zu erfüllen, muss der Regelkreis jederzeit und in vollem Umfang über die Phasenströme und die Ausgangsspannung informiert sein – ohne Latenz oder Abtastverzögerung.

Synthetische Stromregelung dank digitaler Regelungstechnik

Bild 2: Wellenform des Induktionsstroms.

Bild 2: Wellenform des Induktionsstroms. Renesas

Anstatt durch Workarounds in der Spannungsregelung lässt sich das Problem der Strommessung durch einen neuen Ansatz lösen. Mithilfe digitaler Regelungstechnik hat Renesas eine Lösung entwickelt, die mithilfe von hochentwickelten Regelungsverfahren die gesamte Regelung, Überwachung und Kompensation in den digitalen Bereich verlegt. Das Ergebnis ist ein synthetischer Stromregelkreis, der einen zyklischen Phasenausgleich mit schnellem Einschwingverhalten ermöglicht.

Am Beginn des neuen Regelkreises stand die Erkenntnis, dass das High-Side-Stromsignal zwar in der Regelschleife kritisch ist, sich aber aufgrund der kurzen Einschaltzeiten und der hohen Rauschbelastung nicht direkt messen lässt. Stattdessen verwenden die neuen Mehrphasenregler von Renesas ein synthetisches Stromsignal, das künstlich erzeugt wird, was den Vorteil hat, dass es sowohl rauschfrei als auch genau und ohne Latenzzeiten ist. Das Grundprinzip besteht darin, dass alle für die Ermittlung des Phasenstroms relevanten Parameter bei jedem Zyklus direkt gemessen werden können, sodass der Controller den Strom ableiten kann, wie in Bild 2 dargestellt.

Die Steigung der Stromkurvenform ist abhängig von der Ein-/Ausgangsspannung und der Induktivität. Durch kontinuierliches Messen der Spannungen und Berechnen der Induktivität wird eine synthetische Stromkurvenform erzeugt. Die Kalibrierung durch reale Messungen des abfallenden Stromverlaufs ermöglicht es dem Controller, jeden Fehler aufgrund von Stromausgleich oder -abfall zu eliminieren. Dadurch kann der Controller Systemänderungen infolge von Alterung, Wärme oder Sättigung der Spule kompensieren. Zusätzlich zur internen rauschfreien Stromkurvenform lässt sich die Steuerung so positionieren, dass sie Regelschleifenlatenz berücksichtigt. Da die Spulenstromschwellen auf das PWM-Signal getaktet werden, kann die digitale Regelschleife alle Laufzeitverzögerungen durch die intelligenten Leistungsstufen berücksichtigen und somit die Latenzzeiten in der internen Stromkurvenform eliminieren.

Dies ist nur einer der Vorteile, die sich ergeben, wenn das System die gesamte Regelschleife auf digitaler Basis mit Strom- und Spannungsdaten nutzt. Das Blockdiagramm in Bild 3 zeigt, dass sich die digitale Signalverarbeitung in verschiedenen Bereichen einsetzen lässt, um das Gesamtverhalten zu verbessern. Die Kompensation der Spannungsregelschleife erfolgt über konventionelle PID-Koeffizienten, die sich über die Power-Navigator-GUI von Renesas in Echtzeit einstellen lassen.

Vorteil der synthetischen Steuerung

Bild 3: Blockschaltbild des Regelkreises.

Bild 3: Blockschaltbild des Regelkreises. Renesas

Bei der synthetischen Stromregelung ist der Strom einer mehrphasigen Stromversorgung in jeder Phase genau bekannt. Dies macht auch bei kontinuierlich sich ändernden Lasten einen stabilen Betrieb möglich, da der Strom sich gleichmäßig auf alle Phasen aufteilt. Durch eine synthetische Regelung können Geräte mit einem Stromrückkopplungspfad ohne Latenzzeiten schneller auf Lastbedingungen reagieren. Zusätzlich lässt sich so die Ausgangskapazität minimieren. Selbst bei Hochstrom-CPUs ist es möglich, ein Design vollständig mit keramischen Ausgangskondensatoren zu realisieren. Mit voller Bandbreite, digitalen Stromkurvenformen und ohne Latenzzeiten kann der Regelkreis die Ausgangsspannung exakt entsprechend der Lastkurve positionieren und damit die genaue Reaktion des Lastprofils nachbilden. Dadurch wird das übliche analoge RC-Abklingen vermieden, das bei Ausgangsspannungen zu beobachten ist, wenn sie sich auf eine neue Zielspannung einstellen.

Fazit

Die mehrphasige Regelungsarchitektur entwickelte Renesas, um die Herausforderungen bei der Versorgung von Hochstromlasten zu lösen. Sie kann jede Einstellung per Software definieren, steuern und überwachen. Hieraus resultiert ein einfacherer Ansatz auf hohem Niveau für das Design und die Abstimmung von Regelschleifen. Die Möglichkeit, während des Board-Debugging den Status und Zustand der Stromversorgung sofort zu erkennen sowie Rauschverhalten zu kompensieren, bietet die Sicherheit, dass sich jede Herausforderung ohne Re-Design lösen lässt.