Digitale Leistungssteuerung für Server

Historisch gesehen begann die digitale Leistungssteuerung mit einem einphasigen POL-Regler (Point of Load) mit PM-Bus-Schnittstelle (Power Management Bus). Heute hat sie sich zu einem Mehrphasen-Steuerungskonzept weiterentwickelt, das Ströme im Bereich von mehreren 100 A für Multicore-CPUs, Beschleuniger, AI-Chips (Artificial Intelligence) und Netzwerkprozessoren steuert. Bis heute bedeutete digitale Leistungssteuerung, dass Entwickler Zugriff auf jeden Schaltregler auf ihrem Board hatten – mit einer einzigen Ausnahme: Linearregler beziehungsweise LDOs (Low-Drop-out-Regler). Seit es allerdings digitale Power-Monitor-ICs gibt, können Entwickler ausnahmslos alle Stromversorgungen in ihrem System umfassend digital steuern.

Bild 1: Die Anzahl benötigter Stromversorgungsschienen steigt mit jeder Systemgeneration. Renesas

Die Anforderungen von Server-Stromschienen

In der Regel benötigen Cloud-Computing-Server eine Mehrphasen-Leistungssteuerung, die zwischen 30 und mehreren 100 A für Speicher (V_DIMM) und V_core liefert, wobei ein Einphasen-POL-Regler Stromschienen von weniger als 30 A versorgt. Bild 1 zeigt die Anzahl der von Servern benötigten Stromschienen über die verschiedenen Generationen. Wie zu sehen ist, sind in künftigen Generationen mehr als 25 Stromschienen zu erwarten.

Ein weiterer Computing-Trend ist die Balance zwischen hoher Leistung und Effizienz. Das System muss bei Bedarf hohe Leistung liefern und zugleich hohe Wirkungsgrade besonders im Spitzenstrommodus bieten. Standby- oder ein Low-Power-Modus zählen ebenfalls zu den typischen Anforderungen. Die Bereitstellung einer Digitalsteuerung beim LDO-Regler ermöglicht eine Margining-Funktion, um die Ausgangsspannung herunter zu regeln oder sogar auf 0 V zu setzen, wenn ein Low-Power-Modus aktiviert ist.

Ein weiterer Vorzug dieser Margining-Funktion ist eine Toleranzvorgabe für die Ausgangsspannung um ±10 Prozent. Ein weiterer Vorteil eines digital gesteuerten LDOs besteht darin, dass sich der PM-Bus zum Auslesen jeder Stromschiene im System nutzen lässt und sich damit Ausfälle oder Fehler vermeiden lassen.

Entwicklung eines digital gesteuerten LDO-Reglers

Bild 2: Blockdiagramm des digitalen ISL28023 Power-Monitors. Renesas

Wie funktioniert das im Detail? Im folgenden Beispiel kommt ein digitaler Power-Monitor ISL28023 zum Einsatz. Bei diesem Baustein handelt es sich um einen bidirektionalen Current-Sense-Verstärker mit PM-Bus-Schnittstelle, der das analoge System um digitale Telemetrie erweitert. Dank der intelligenten Nutzung bestimmter Funktionen können Entwickler nun jeden LDO im System überwachen, schützen und steuern.

Ein genauerer Blick auf den digitalen Power-Monitor in Bild 2 zeigt die Features, die Entwicklern zur Verfügung stehen:

• VBUS/VINP/VINM – Diese Pins sind die wichtigsten Kanäle zur Überwachung von Spannung und Strom an den LDOs. Hinweis: Zur Strommessung ist ein externer Shunt-Widerstand erforderlich.
• DAC_OUT – Dieser integrierte 8-Bit-D/A-Wandler dient zum Hoch- und Herunterregeln des LDO-Ausgangs.
• SMBALERT2 – Dieser Alarm-Pin wird ausgelöst, sobald der digitale Power-Monitor einen Fehlerzustand erkennt. Er aktiviert/deaktiviert den LDO.
• GND – Die Masse-Pins des digitalen Power-Monitors und des LDOs müssen zusammengeschaltet sein, damit die Spannungs- und Strommessungen korrekt funktionieren.

Auf der nächsten Seite: Spannungsmessung mit dem Power-Monitor.

Überwachung von Spannung und Strom

Bild 3: Die ISL28023 VBUS-, VP- und VM-Verbindungen zum LDO-Regler ISL80101. Renesas

Eine Spannungsmessung mit dem digitalen Power-Monitor ist einfach: Der Entwickler verbindet den VBUS-Pin mit der V_OUT-Stromschiene des LDO-Reglers und verschaltet die GND-Pins miteinander. Um allerdings den durch den Ausgang des LDOs fließenden Strom zu messen, ist ein externer Shunt-Widerstand erforderlich.

In Bild 3 kommt der LDO zusammen mit dem digitalen Power-Monitor zum Einsatz, um die für Spannung- und Strommessungen nötigen Verbindungen zu demonstrieren. Der VBUS-Pin misst die Spannung am V_OUT des LDOs. Die Pins VP und VM arbeiten differenziell und messen die Spannung über R_shunt. Der Wert dieses Widerstands wird innerhalb des ISL28023 eingestellt und dient zur Berechnung des Stroms:

Gleichung 1:      I_out = Vshunt/Rshunt

Der V_shunt innerhalb des ISL28023 kann im Bereich von 40 mV/80 mV eingestellt werden. Dabei ist entscheidend, die Nutzung dieses Bereichs für die Strommessung zu optimieren. Der ISL80101 kann beispielsweise 1 A liefern. Nutzt man also den Bereich von 80 mV, dann ist R_shunt so zu wählen, dass bei 1 A V_shunt 80 mV beträgt oder R_shunt einen Wert von 80 mΩ hat.

Ausgangsspannungs-Margining

Bild 4: Verbindung des DAC_OUT-Pins am ISL28023 mit dem ISL80101 LDO-Regler. Renesas

Ein Spannungs-Margining des LDOs lässt sich mithilfe des 8-Bit-D/A-Wandlerausgangs des digitalen Power-Monitors erzielen. Durch Verbinden des DAC_OUT-Pins mit dem Rückkopplungsnetzwerk des LDOs (ADJ-Pin) lässt sich die Ausgangsspannung nach oben/unten begrenzen.

Prinzipiell wird FB oder der ADJ-Pin manuell durch den D/A-Wandler verändert. Diese D/A-Wandler-Ausgangsspannung definiert zusammen mit R1 und R2 gemäß Gleichung 2 die Ausgangsspannung des LDO-Reglers.

Gleichung 2: V_out = 0,5 + (0,5 – DAC_OUT) * R2/R1

Bei der Einstellung des DAC_OUT-Wertes des ISL28023 ist zu beachten, dass die DAC_OUT-Spannung nie größer als 0,5 V sein darf, weil dies sonst beim LDO zu unerwartetem Verhalten führen könnte.

Fehlerauslösung und Aktivieren/Deaktivieren

Bild 5: Verschaltung des SMBALERT2-Pins am ISL28023 mit dem ISL80101 LDO-Regler. Renesas

Der digitale Power-Monitor besitzt zwei SMBALERT-Pins, die auf High/Low gesetzt werden, sobald eine Fehlerbedingung erfüllt ist. Eine Auslösung dieser Alarmsignale lässt sich auch erzwingen, um den LDO ein-/auszuschalten. Bild 5 zeigt den SMBALERT2-Pin, wie er in der Anwendung zum Einsatz kommt.

Zusammengesetzt ergeben die Bilder 3, 4 und 5 die komplette Schaltung. Bild 6 zeigt, wie die Kombination aus einem digitalen ISL28023 Power-Monitor mit drei externen Widerständen einen einfachen LDO um Telemetrie-Funktionen erweitern kann.

Zusammenfassung

Bild 6: Komplette Schaltung zur Verbindung des ISL28023 mit einem ISL80101 LDO-Regler. Renesas

Bisher war es üblich, dass nur Stromschienen mit hoher Leistung digital gesteuert wurden, sodass LDOs mit geringer Leistung keine digitale Schnittstelle besaßen. Heute sind Telemetrie-Funktionen auch bei Stromschienen mit niedrigeren Strömen erforderlich. Der digitale ISL28023 Power-Monitor macht das möglich. Jede Schiene innerhalb eines Systems lässt sich über PMBus-Befehle digital überwachen, schützen und steuern.

(prm)