Digital geregelte Hybrid-Controller mit PMBus

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.

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. 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. 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 V_IN sowie der erwarteten Ausgangsspannung V_OUT (eingestellt durch V_DAC).

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. 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:

• V_in = 12,0 V
• V_out = 1,0 V
• Schaltfrequenz = 500 kHz
• L_out = 220 nH, DCR = 0,25 mΩ
• C_out = 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.

Tabelle 1: R4-Modulator-Technologie im Vergleich zu Voltage-Mode- und COT-Controller. Intersil

Regelschleife mit großer Bandbreite

Die Lasttransienten für jede Controllerschaltung wurden verglichen und in Tabelle 1 zusammengefasst. Das überlegene Einschwingverhalten der R4-Modulatorarchitektur ist auf die große Bandbreite der Regelschleife zurückzuführen. Zugleich kommt die geringere Schleifenverstärkung der R4-Architektur ohne Frequenzkompensation aus und ist dadurch von Grund auf stabil. Es gibt kein Über- oder Unterschwingen, lediglich einen höheren Wirkungsgrad, was den Materialeinsatz und den Platzbedarf auf der Leiterplatte reduziert.

Der digitale Hybrid-Controller ISL68200 bietet zahlreiche Konfigurationsmöglichkeiten. Festlegen lassen sich die Konfigurationen durch die Wahl des Pin-Strap-Widerstands zum Anschluss an die Resistor-Reader-Schnittstelle. Der Pin-Strap-Widerstand liegt zwischen Programmier-Pin und Spannungsversorgung V_CC oder zwischen Programmier-Pin und Masse.

Ein interner A/D-Wandler bestimmt zum einen den Widerstandswert und legt zudem fest, ob dieser mit V_CC oder mit Masse verbunden wird. Das Messergebnis dient dann zur Auswahl der Registerwerte im Controller, welche die Parameter dieses speziellen Widerstands bestimmen. Es sind vier Programmier-Pins vorhanden (PROG1 bis PROG4). Über die Widerstände an diesen Anschlüssen können Anwender die folgenden Parameter einstellen:

PROG1

• Hochlaufspannung; 256 Werte zwischen 0,5 V und 5,5 V

PROG2

• Wahl zwischen erzwungenem PWM-Betrieb oder PFM-Betrieb
• Optionen zur Temperaturkompensation: vier Wahlmöglichkeiten des Wärmekoeffizienten zur Überwachung der Induktortemperatur
• PMBus-Adresse; 1 von 32 verschiedenen Adressen

PROG3

• Einschalten einer Ultraschallklemme im PFM-Modus (hält die Betriebsfrequenz über 25 kHz)
• OCP-Fehlerverhalten, entweder Abschalten oder kontinuierliches Wiedereinschalten
• Schaltfrequenz: acht Optionen von 300 kHz bis 1,5 MHz
• Verstärkungseinstellung des Fehlerverstärkers; sieben Optionen von 1 bis 42

PROG4

• Einstellen von Soft-Start und Rampenanstiegsrate des DVID (Dynamic VID)
• Wahl der RR-Impedanz für DC-Rückkopplung in den Ripple-Synthesizer; vier Optionen von 200 bis 800 kΩ
• Festlegung des Verstärkungs-Multiplizierers in der Regelschleife; ein- oder zweifach

An jedem PROG-Pin veranlasst ein Widerstand mit einem bestimmten Wert, der mit dem entsprechenden Referenzpunkt (V_CC oder Masse) verbunden ist, den Chip, Bits in Registern zu konfigurieren, um beim Einschalten die gewählten Parameter festzulegen. Zu beachten ist, dass ein einziger Widerstandswert eine Kombination von Variablen einstellt, die für diesen speziellen PROG-Pin aufgelistet sind. Das Datenblatt für den Baustein enthält Tabellen, welche die Kombinationsmöglichkeiten aufzeigen.

Bild 4: Über die Benutzeroberfläche des Power-Navigators können sich Anwender durch die Auswahl der Konfigurationsparameter führen lassen. Intersil

Programmieren mit der Power-Navigator-GUI

Im digitalen Hybrid-Controller ISL68200 befinden sich die PMBus-Schnittstellen für Telemetrie, V_out-Margining, Fehlerberichte oder Konfigurationsmodifikationen. Da der Baustein die Resistor-Reader-Programmierschnittstelle enthält, ist der PMBus optional. Telemetrie über den PMBus unterstützt das Ablesen von Werten von V_in, V_out, I_out und Temperatur. Fehler sind über Status_Byte auslesbar. Zu gemeldeten Fehlern zählen Über- oder Unterspannung, Überstrom sowie Übertemperatur.

Die Power-Navigator-GUI dient als Hilfsmittel zur Definition von sämtlichen Betriebsparametern. Bild 4 zeigt das GUI-Fenster zur Einstellung der Parameter, die die Werte der Pin-Strap-Widerstände bestimmen.

(hb)