High tech electronic PCB Printed circuit board with processor, microchips and glowing digital electronic signals. 3d illustration 3d render The processor on the integrated circuit. Energy lines neon colors. Data streams. Chips (Bild: sipgus @ AdobeStock)
Die digitale Steuerung in Netzteilen kann verschiedene Bedeutungen haben, von einfachen digitalen Status-/Alarmsignalen oder die Ein-/Abschaltung eines herkömmlichen analogen Reglers über zusätzliche komplexe Funktionen mit einem Mikrocontroller bis hin zur vollständigen Implementierung einer Regelschleifenkompensation mit einem Digital Signal Processor (DSP). Aktuelle Technologien ermöglichen Flexibilität bei der Konfiguration eines Netzteils während der Entwicklung und der Inbetriebnahme sowie dynamischen Anpassungen in der Endanwendung.
Eck-Daten
Digitale Steuerungen ermöglichen verschiedene Funktionen in Stromversorgungen und lassen sich mit einem Digital Signal Processor (DSP) umsetzen. Allerdings erfordet die Verwendung eines DSPs verschiedene Kenntnisse über die Regelkreise und Frequenzbereiche sowie Fertigkeiten im Coding. Für das Coding und die Umsetzung bieten Hersteller oftmals entsprechende Tools an.
Ein DSP-Chip ist zwar teurer als ein dedizierter analoger Controller, jedoch sinken die Preise und die Leistung verbessert sich stetig. Der Einsatz von DSP in Stromversorgungen erfordert Kenntnisse über die Stabilisierung von Regelkreisen im Frequenzbereich und deren Umsetzung in effizienten Code im Zeitbereich. Netzteilhersteller haben das Potenzial der Technologie verstanden und sich zunutze gemacht. Um jedoch eine zuverlässige und robuste Lösung zu erhalten, sind Investitionen in Kompetenzen und Zeit für die Entwicklung, Verifizierung und Dokumentation von Firmware erforderlich. Da der Code wiederverwendbar ist, lassen sich Hardware-Plattformen entwerfen, die Entwickler schnell durch Softwareänderungen an verschiedene Anwendungen anpassen können. Dies ist ein großer Vorteil in der Produktion, der an die Anwender in Form von Zeit- und Kosteneinsparungen weitergegeben wird.
Funktionen und Vorteile von DSPs
Bild 1: Analog geregeltes Netzteil mit einer einfachen digitalen Schnittstelle XP Power
Die Hauptvorteile einer volldigitalen Implementierung der Steuerung und Überwachung in einer Stromversorgung sind die Flexibilität und Fähigkeit, die Leistung und Eigenschaften der Netzteile an verschiedene Anwendungen anzupassen. Dies würde bei einem herkömmlichen analogen Regelkreis Hardwareänderungen erfordern. Digitale Regelkreise haben auch den Vorteil, dass sie immun gegenüber Änderungen der Umweltbedingungen und der Komponenten durch Toleranz und Alterung sind. Dadurch lässt sich die Geräteperformance genauer definieren. Aber der DSP-Chip kann auch auf Variablen der Systemleistung reagieren, etwa indem er Lastcharakteristiken erfasst, den Regelkreises für das beste Transientenverhalten bei schnellen Laständerungen optimiert oder die Ausgangsspannung reduziert, um die Verlustleistung der Last im Standby-Modus zu verringern.
Bild 2: Digital geregelte Stromversorgung (DSP) XP Power
Entwickler können auch den Einstellungsbereich der Ausgangsspannung vergrößern, etwa von 0 – 105 oder 110 Prozent, zum Einsatz in unterschiedlichsten Anwendungen oder wenn die benötigte Systemspannung noch nicht endgültig festgelegt ist. Die Strombegrenzung ist in ähnlicher Weise einstellbar. So lässt sich nicht nur der maximale Strom, sondern auch das Verhalten bei Überlast oder Kurzschluss konfigurieren. Dies ist wichtig in heutigen Resonanztopologien, in denen die erforderlichen mehrfachen Schalt- und Schleifenkompensationen mit einem herkömmlichen analogen Regler praktisch nicht zu realisieren sind.
Abgesehen von der Steuerung der Regelschleife ist es in einem digitalen Netzteil einfach, weitere programmierbare Funktionen mit Mehrwert zu implementieren, die in analogen Regelungen Hardwareänderungen erforderlich machen würden. So können Entwickler etwa Einschalt- / Ausschalt-Rampen sowie die Sequenzierung mehrerer Netzteile mit verschiedenen Szenarien einstellen. Ebenso können sie die Polarität der Enable-Eingänge und der Signale nach Belieben ändern, Fehler- und Statuszustände überwachen oder die Grenzwerte bei Bedarf dynamisch anpassen. Wenn sie beispielsweise die Ausgangsspannung im laufenden Betrieb erhöhen, kann sie den Grenzwert für die Überspannungserkennung ebenfalls anheben.
Darüber hinaus können Anwender Verzögerungen nach dem Auftreten von Warnmeldungen vor der Signalisierung variabel programmieren und die auszuführende Aktion bestimmen, wie beispielsweise nur die Protokollierung des Auftretens oder das Abschalten der Stromversorgung mit einer bestimmten Anzahl von Wiederholungsversuchen in bestimmten Intervallen oder die sofortige Abschaltung bei schwerwiegenden Ereignissen. Der nichtflüchtige Speicher im DSP-Chip enthält nicht nur den Steueralgorithmus und die Referenzwerte der verschiedenen Reaktionstypen, sondern kann auch als Speicher für Informationen wie Modellbezeichnung und Herstellungsdatum, Seriennummer, Betriebsdauer und eines Ereignisprotokolls mit Temperaturaufzeichnungen und Meldungen zu Fehlern und Warnungen dienen.
Bild 3: Vereinfachtes Beispiel des Regelkreises und der freien Bandbreite. XP Power
Aktuelle Mikrocontroller mit DSP-Funktionalität unterstützen all diese Funktionen, da sie schnell genug sind, um die Ausgangsspannung bei jedem Schaltzyklus abzutasten, eine A/D-Wandlung innerhalb weniger hundert Nanosekunden durchzuführen, den Regelungsalgorithmus auszuführen und dennoch genügend Bandbreite für die Regelung und Signalisierung zu haben. Aus Gründen der Flexibilität und Abwärtskompatibilität kann ein eingebauter A/D-Wandler auch analoge Steuereingänge wie 0 – 5 V oder 0 – 10 V für die Spannungseinstellung bereitstellen. Einzelne Steuerungsmöglichkeiten und Signale sind in der Regel auch über separate Anschlüsse sowie über einen Kommunikationsbus verfügbar. Auf diese kann zur Systemsteuerung extern zugegriffen werden oder sie können nur intern für Servicetechniker zugänglich sein.
Digitale Stromversorgungen weltweit
Bild 4a: Grafische Benutzeroberfläche (GUI) für die digitalen Stromversorgungen... XP Power
Netzteile mit digitaler Steuerung und Signalisierung kommen in Smart-Factory-Anwendungen, bei denen die Prozesshardware in einer IoT-Umgebung miteinander verbunden ist, voll zur Geltung um die Produktionskapazität und Effizienz im laufenden Betrieb zu maximieren. Eine Kombination aus dezentralen intelligenten Funktionen und zentraler Überwachung und Gesamtsteuerung passt, um die Prozesseffizienz zu gewährleisten. So lassen sich nicht nur die Parameter in Echtzeit anpassen, sondern auch Daten für die Aggregation erfassen, die Fehler und vorübergehenden Ereignisse in einer Historie enthält. Dies ermöglicht wiederum die Vorhersage der zukünftig benötigten Systemleistung und die Entwicklung vorbeugender Wartungsintervalle, um eine maximale Betriebszeit zu erreichen. Aus den Rückmeldungen zur Belastung von Stromversorgungen lassen sich wertvolle Informationen für eine gute Lastverteilung und zur Kosteneinsparung gewinnen, da sie Hinweise zum Energieverbrauch und den Zeitraum mit erhöhten Lasten liefern. Digital gesteuerte Netzteile können auch verwendet werden, um speziell im Labor programmierte Netzteile in automatisierten Tests zu ersetzen, und damit weitere Kosteneinsparungen zu erzielen, oder um das Burn-In von Geräten zu betreiben, bei denen sich das automatisierte Margining von Spannungen einfach programmieren lässt.
Obwohl die typische Kommunikationsschnittstelle zu einem DSP-Chip I²C mit PMBus-Befehlen realisiert ist, können digitale Netzteile häufig auch RS232/RS485- und Devicenet/Ethercat-Schnittstellen bereitstellen, da diese für die industrielle Umgebung besser geeignet sind.
Hersteller von Stromversorgungen stellen häufig neben der Gerätehardware auch eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) für die einfache Konfiguration der Stromversorgung und zur Leistungsüberwachung zur Verfügung.
Stand-Alone-Anwendungen
Bild 4b: ...der HPT-Serie von XP Power XP Power
Die digitale Steuerung von Stromversorgungen kann auch Anwendungen zugutekommen, bei denen keine externe Kommunikation notwendig und eine dynamische Anpassung der Leistung nicht von Vorteil ist. Potenziell können Stromversorgungshersteller anstelle eines kundenspezifischen Produkts eine Lösung anbieten, die von einer digital konfigurierbaren Standardplattform stammt, und dem Anwender Zeit und umfangreiche Kosten für die Qualifizierung und Sicherheitszertifizierungen erspart. Sollten sich die Anforderungen der Endanwendung etwa aufgrund eines Produkt-Upgrades ändern, so könnten die Hersteller die Stromversorgung mit einer einfachen Firmware-Änderung über die Kommunikationsschnittstelle neu konfigurieren, was wiederum erhebliche Kosten spart und die Verwendbarkeit des Netzteils verlängert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass digital geregelte Netzteile, insbesondere mit höherer Leistung viele Vorteile bieten, einschließlich erhöhter Funktionalität und Flexibilität mit potenziellen Kosteneinsparungen durch geringeren Energieverbrauch und einer erweiterten Produktlebensdauer. Jedoch hat die analoge Regelung weiterhin ihre Daseinsberechtigung, vor allem in einfachen Anwendungen mit geringerer Leistung.
Gary Bocock
(prm)
