Digitales Powersystemmanagement kombiniert mit analoger Regelschleife

Mit dieser Auto-Kalibrier-Routine wird der DC-Widerstand der Spule gemessen. Da der Strom von Zyklus zu Zyklus über der Spule gemessen wird (verlustlose DRC-Messung, DCR = Gleichstrommessung mit Widerstand), lässt sich eine akkurate Ausgangsstrommessung durchführen. Der Controller basiert auf dem Zweikanal-Baustein LTC3880/-1.

Leistungsdaten in Echtzeit überwachen

Ob am Point-of-Load, auf der Baugruppe, im Rack oder auf Anlagenebene, die Herausforderung für sämtliche Systemebenen von Datenzentren heißt, so effizient wie möglich zu sein. Verringert werden kann der gesamte Leistungsbedarf beispielsweise, indem man die Arbeitsschritte auf möglichst wenige Server aufteilt und Server, die gerade nicht benötigt werden, abschaltet. Dies und die Zielvorgaben an die Systemleistung wie Rechengeschwindigkeit, Datenrate und so weiter lassen sich erreichen, indem ein umfassendes digitales Powermanagementsystem implementiert wird, das die Leistungsverbrauchsdaten auf allen Ebenen in Echtzeit überwacht.

Digitales Powermanagement eines Systems mit dem LTC3883.Linear Technology

In der Vergangenheit waren digitale Powermanagementlösungen oftmals zusammengewürfelt aus Supervisor-Bausteinen, Sequenzer, DACs und ADCs. Diese inhärente Komplexität macht eine umfangreiche Vorabplanung künftiger Systemaktualisierungen erforderlich und erschwert dadurch eine einfache Erweiterbarkeit. Diese Komplexität beseitigt der LTC3883/-1, indem er alle digitalen Powermanagementfunktionen im DC/DC-Controller bündelt. Das Ergebnis ist eine einfach anzuwendende, robuste und flexible Point-of-Load-Powermanagementlösung (POL).

Das Modul kann autonom arbeiten oder über einen seriellen Industriestandard-I²C-Bus mit einem System-Hostprozessor kommunizieren, um Befehle zu empfangen, die Steuerung zu übernehmen und Telemetrie-Daten anzuzeigen. So können wichtige Betriebsinformationen, mit denen sich dynamisch die Systemleistung und die Zuverlässigkeit optimieren lassen, wie Spannungen, Ströme und Temperaturen in Echtzeit direkt mit dem DC/DC-Controller überwacht werden. Der Zugriff auf diese Daten erlaubt es, Fehler im Stromversorgungssystem vorherzusagen und Vorsorgemaßnahmen zu ergreifen.

Wichtige Regelparameter, wie Ausgangsspannungen und Strombegrenzungen, Über- und Unterspannungsgrenzwerte, Einschaltcharakteristika sowie Timing- und Fehlerreaktionen, können ebenfalls direkt über den seriellen Bus programmiert werden. Externe Komponenten wie Widerstände, Sequenzer und Überwachungs-ICs sind nicht erforderlich.

Mit dem digitalen Management von Stromversorgungssystemen lassen sich schnell und effizient komplexe Systeme mit mehreren Versorgungsspannungen entwickeln. Durch die LTpowerPlay-Software, die eine PC-basierte Baugruppenüberwachung und parametrische Einstellungen ermöglicht, wird die Entwicklung vereinfacht. Der Entwickler kann das System debuggen und In-Circuit-Tests (ICT) durchführen, ohne die Baugruppe neu verdrahten oder Komponenten modifizieren zu müssen.

Der LTC3883/-1 ist ein synchroner DC/DC-Abwärtswandler mit einem Ausgang und integrierten Leistungs-FET-Gate-Treibern sowie einem analogen Stromregelkreis, der bis hin zu sechs Phasen Poly-Phase-fähig ist. Die Frequenz ist zwischen 250 kHz und 1 MHz einstellbar. Bei vorhandenem externem Oszillator kann sich der Wandler, durch die interne Phasenverriegelung, auf jede Frequenz in diesem Bereich synchronisieren. Durch die optimierten Totzeiten der Gate-Treiber werden die Schaltverluste und die Leitfähigkeit der Body-Diode minimiert, was einen hohen Wirkungsgrad unter allen Betriebsbedingungen sicherstellt. Der weite Eingangsspannungs-Bereich reicht von 4,5 bis 24 V, der Ausgangsspannungsbereich von 0,5 bis 5,5 V.

1,8-V-/500-kHz-Abwärtswandler mit DCR-Messung und hohem Wirkungsgrad.Linear Technology

Die Präzisionsreferenz, der 12-Bit-D/A-Wandler und der temperaturkompensierte Stromregelkreis resultieren in einer Genauigkeit der DC-Ausgangsspannung von ± 0,5 Prozent. Ein integrierter Messverstärker für den Eingangsstrom auf der strom-führenden Seite erlaubt eine exakte Messung des Eingangsstroms und eine Auto-Kalibrierung der Spulen-DCR.

Einen digitalen Abruf der Ein- und Ausgangsspannungen und -ströme, des Arbeitszyklus‘ und der Temperatur ermöglicht ein 16-Bit-Datenerfassungssystem. Spitzenwerte wichtiger Messungen können vom Anwender ausgelesen werden. Wichtige Controller-Parameter lassen sich über den PMBus programmieren. Fehler werden erfasst, indem eine Interrupt-Flag und ein Black-Box-Recorder im nichtflüchtigen Speicher die Betriebsbedingungen unmittelbar vor einem Fehler abspeichern. Zur Erhöhung der Integrationsdichte befindet sich beim LTC3883 ein LDO-Regler auf dem Chip. Der LTC3883-1 wird zur Erhöhung des Wirkungsgrades aus einer externen 5-V-Biasspannung gespeist. Beide Bausteine sind in einem thermisch verbesserten QFN-Gehäuse mit 5 mm x 5 mm Kantenlänge, 32 Anschlüssen und einem Sperrschichttemperatur-Bbereich von -40 bis 105 °C (E-Grade) oder -40 bis 125 °C (I-Grade) verfügbar.

PMBus-Steuerung

Das PMBus-Interface des LTC3883/-1 erlaubt das digitale Programmieren von wichtigen Stromversorgungsparametern und auch das Abrufen wichtiger Echtzeitbedingungen. Parameterkonfigurationen können mit der Entwicklungssoftware LTpowerPlay in das interne EEPROM herunter geladen werden. Ist das Bauteil wie gewünscht konfiguriert, arbeitet es autonom ohne Steuerung vom Host, so dass keine weitere Firmware oder ein Mikrocontroller erforderlich sind.

Der PMBus ermöglicht das Programmieren folgender Stromversorgungsparameter:

• Ausgangsspannung und Spannungsbegrenzungen,
• temperaturkompensierte Stromschaltschwellen, abhängig von der Spulentemperatur,
• Schaltfrequenz,
• Schaltschwellen der schnellen Überwachungsschaltungen für Über- und Unterspannung, Ein/Aus-Verzögerungszeit der Ausgangsspannung,
• Anstiegs-/Abfallzeiten der Ausgangsspannung,
• Ein-/Ausschaltschwellen der Eingangsspannung,
• Ein/Aus des Ausgangspegels,
• große/kleine Marge des Ausgangspegels,
• Reaktion auf interne/externe Fehler und Fehlerfortpflanzung.

Der PMBus erlaubt es dem Anwender folgende Stromversorgungsbedingungen zu überwachen:

• Ausgangs-/Eingangsspannung,
• Ausgangs-/Eingangsstrom,
• interne Chip-Temperatur,
• externe Spulentemperatur,
• Bauteilstatus, Fehlerstatus,
• Systemstatus,
• Spitzenausgangsspannung,
• Spitzenausgangsstrom,
• interne/externe Spitzentemperatur,
• Fehlererfassungsstatus,
• Analoge Regelschleife.

In zahlreichen Funktionen ist der LTC3883/-1 digital programmierbar, wie beispielsweise Ausgangsspannung, Einstellpunkt der Strombegrenzung und Sequenzierung. Die Regelschleife ist jedoch rein analog, was ohne den Quantisierungseffekt einer digitalen Regelschleife, ein Optimum bezüglich der Schleifenstabilität und des Einschwingverhaltens ergibt.

Der analoge Regelkreis des LTC3883 im Vergleich zu einer digitalen Regelschleife. Die analoge Schleife hat sanfte Rampen, während die digitale Schleife diskrete Stufen hat.Linear Technology

Bild 4 vergleicht die Rampenkurven eines Controller-ICs mit einer analogen Rückkoppelschleife mit denen eines ICs mit digitaler Rückkoppelschleife. Die analoge Schleife hat eine sanfte Rampe, während die digitale Schleife diskrete Stufen hat, die wegen des Quantisierungseffekts zu Stabilitätsproblemen, langsamerem Einschwingen, höherer erforderlicher Ausgangskapazität in einigen Applikationen und höherer Ausgangswelligkeit und Jitter auf den PWM-Steuersignalen, führen können.

Der Stromregelkreis produziert die beste Schleifenstabilität, Strombegrenzung von Zyklus zu Zyklus sowie schnelle und genaue Reaktionen auf Leistungs- und Lastspitzen. Unabhängig von den Betriebsbedingungen und der Wandler-Konfiguration ist die einfache Schleifenkompensation. Unterstützt werden sowohl die kontinuierliche, diskontinuierliche und Burst-Mode-Spulenstromregelung.

Auto-Kalibrierung der Spulen-DCR

Wird der Ausgangsstrom eines DC/DC-Wandlers mithilfe des DC-Widerstandes einer Spule und nicht mit einem Messwiderstand gemessen, reduzieren sich Verlustleistung, Schaltungskomplexität und Kosten. Allerdings verursacht jeder Unterschied zwischen der spezifizierten nominalen Spulen-DCR und der aktuellen Spulen-DCR einen proportionalen Fehler im gemessenen Ausgangsstrom und der Begrenzung des Spitzenstroms.

Die Abweichung der Spulen-DCR von ihrem nominalen Wert kann beim LTC3883/-1 gemessen und kompensiert werden mit einem von Linear Technology patentierten Algorithmus. Man vollendet eine einfache 180-ms-Kalibration über einen PMBus-Befehl, während sich der Wandler in einem Beharrungszustand mit einem ausreichend großen Laststrom befindet, und ermöglicht so akkurate Messungen des Ein- und Ausgangsstroms.

Die Spulentemperatur wird vom LTC3883/-1 exakt gemessen, um eine genaue Stromabfrage über den gesamten Betriebstemperaturbereich zu erzielen. Der LTC3883 modelliert dynamisch den Temperaturanstieg von einem externen Temperatursensor zum Spulenkern, um die Eigenerwärmung der Spule zu berücksichtigen. Dieser patentierte Algorithmus vereinfacht die Anforderungen an die Platzierung des externen Temperatursensors und kompensiert den signifikanten Spitzentemperaturfehler im Beharrungszustand vom Spulenkern zum primären Kühlkörper.

Systeme mit mehreren ICs

Große Leistungsbaugruppen mit mehreren Versorgungsspannungen haben normalerweise einen isolierten Zwischenbus-Wandler, der -48 V von der Backplane auf eine geringere Zwischenbusspannung (intermediate bus voltage = IBV), typisch 12 V herabsetzt, die über eine PC-Karte verteilt wird. Einzelne POL-DC/DC-Wandler (point-of-load) setzen die IBV auf die benötigten Spannungspegel herunter, die üblicherweise von 0,5 bis 5 V reichen und Ausgangsströme zwischen 0,5 bis 120 A haben. Auf diesen dicht gepackten Baugruppen darf die digitale Schaltung für das Systempowermanagement nicht viel Platz auf dem PC-Board beanspruchen.

Eine vollständige Entwicklungsplattform mit der LTpowerPlay-Software.Linear Technology

Hochleistungs-LTC-PMBus-Controller, wie der LTC3883/-1 und Begleit-ICs, wie der LTC2978, arbeiten effektiv und nahtlos zusammen, um die strengen Anforderungen an das digitale Powermanagement hoch entwickelter Baugruppen zu erfüllen. Dies schließt Sequenzing, hohe Spannungsgenauigkeit, exakte Überstrom- und Überspannungsbegrenzung, Überwachung und Fehlerkontrolle mit ein. Jede Kombination dieser Bausteine vereinfacht den Entwicklungsprozess des Sequenzing für eine große Anzahl von Stromversorgungen. Durch Nutzen eines zeitbasierten Algorithmus können Anwender dynamisch Spannungspegel in beliebiger Reihenfolge mit einer einfach zu programmierenden Verzögerung ein- und ausschalten. Das sequenzielle Einschalten über mehrere Bausteine wird vom Eindraht-SHARE_CLK-Bus und einem oder mehreren bidirektionalen universellen I/O-Pins (/GPIO) ermöglicht.

Mehrere PMBus-fähige Bausteine gleichzeitig steuern

Vereinfachte Stromversorgungssysteme. LTpowerPlay ermöglicht die vollständige Steuerung einer Stromversorgung nur mit den Fingerspitzen.Linear Technology

Die LTpowerPlay-Software vereinfacht es, mehrere PMBus-fähige Bausteine von Linear Technology gleichzeitig zu steuern und zu überwachen. Dazu wird die DC/DC-Controller-Konfiguration in Echtzeit modifiziert, indem die Systemparameter in das interne EEPROM des LTC3883/-1 heruntergeladen werden. Durch diese Möglichkeit, die Systemkonfigurationen in Software zu justieren, reduziert sich die Entwicklungszeit.

(ah)