So regeln Echtzeit-MCUs digitale GaN-FET-Stromversorgungslösungen

Server- und Telekommunikations-Stromversorgungen sind Beispiele für Anwendungen, die von der Galliumnitrid-Technologie (GaN) profitieren können. GaN-FETs zeichnen sich durch stark reduzierte Schaltverluste und eine hohe Leistungsdichte aus und bieten damit Vorteile, die bei der Überwindung der technischen Herausforderungen helfen können, wenn die Stückzahlen auf diesen wachsenden Märkten immer größer werden.

Der richtige digitale Controller für GaN

Die mit GaN möglichen, höheren Schaltfrequenzen ermöglichen es, Stromversorgungen effizienter arbeiten und höhere Leistungsdichten erzielen zu lassen. Dies erfordert allerdings in der Regel komplexere Topologien und Regelalgorithmen wie etwa das Schalten im Spannungs- oder Strom-Nulldurchgang oder LLC-Resonanz-Gleichspannungswandler mit Hybrid-Hystereseregelung.

Die Anpassungsfähigkeit eines digitalen Reglers kommt diesen komplexen Topologien nur entgegen. Benötigt wird schließlich eine Lösung, die komplexe, zeitkritische Berechnungen verarbeiten kann, präzise Regeleigenschaften bietet, per Software skalierbar ist und sich durch Peripherie-Kompatibilität auszeichnet. Die Echtzeit-MCUs der C2000-Familie sind direkt auf diese Aspekte abgestimmt. Bild 1 zeigt eine C2000-Echtzeit-MCU und einen GaN-FET-Treiber.

Befehlseffizienz der C2000-Echtzeit-MCUs

Die Echtzeit-MCUs der C2000-Reihe besitzen einen fortschrittlichen Befehlssatz, mit dem sich die Zahl der für komplexe mathematische Berechnungen erforderlichen Zyklen stark verringert. Aufgrund der damit erzielten Reduzierung der Rechenzeiten lässt sich die Regelkreis-Frequenz anheben, ohne dass die Taktfrequenz des Bausteins erhöht werden muss. Viele dieser Effizienzsteigerungen werden nahtlos an den Benutzer weitergegeben und erfolgen automatisch. Code-Compiler, CPU-Pipeline und Befehlssatz sind allesamt so konzipiert, dass pro Befehlszyklus ein Maximum an Rechenleistung erzielt wird.

Für den Anwender präsenter sind die Floating-Point Unit (FPU) und die Trigonometric Math Unit (TMU). Die engere Einbindung dieser verbesserten Befehle in den C28x-Core macht es möglich, für diese Anweisungen das Pipelining zu nutzen und sie wie normale CPU-Befehle parallel auszuführen, um die Effizienz jedes einzelnen Taktzyklus weiter zu steigern.

Zum Beispiel kommt die FPU auf eine 2,5-fache Geschwindigkeitsverbesserung gegenüber standardmäßigen Festkomma-Berechnungen. Gleichzeitig befähigt die FPU den C28x-Core dazu, mit Gleitkomma-Arithmetik arbeitende, modellbasierte Simulations- und Codegenerierungs-Tools zu nutzen. Der Zeitaufwand für die Codeentwicklung und das Validieren eines Systems reduziert sich hierdurch, sodass das fertige Produkt schneller auf den Markt kommen kann (Bild 2).

Die kleinteilige zyklusweise Effizienz ist wichtig, damit sich hohe Anforderungen an die Lastsprung-Eigenschaften besser einhalten lassen. Diese Vorgaben beschreiben, wie schnell eine Stromversorgung auf einen geänderten Leistungsbedarf reagieren muss. Weil die in Servern eingesetzten, aktuellen Prozessoren mehr Leistung aufnehmen, ist die Erfüllung dieser Anforderungen heute schwieriger denn je: war früher ein Wert von 1 A/µs die Regel, verlangen heutige Standards nach 2,5 A/µs oder mehr.

Direkte Abhilfe bringt es, die Frequenz der Regelschleife zu erhöhen, denn hierdurch kann das System geänderte Bedingungen schneller erkennen und entsprechend reagieren. Speziell die besonderen Verarbeitungsfähigkeiten der C2000-Echtzeit-MCUs können dazu beitragen, den neuen Anforderungen an das Lastsprungverhalten gerecht zu werden.

Um diesbezüglich selbst extreme Vorgaben von 5 A/µs oder mehr einzuhalten, nutzen die Echtzeit-MCUs der C2000-Reihe ihre integrierten analogen Funktionen, die PWM-Signale rein hardwaremäßig und ohne Zuhilfenahme externer Bauelemente generieren können. Zu diesem Zweck wird der integrierte Analog-Komparator eingesetzt, um die Rückmeldesignale mit einem festen Sollwert oder einem Rampengenerator zu vergleichen, der mithilfe des eingebauten 12-Bit-D/A-Wandlers (DAC) implementiert wird.

Diese Technik bringt die spezifischen Geschwindigkeitsvorteile einer rein hardwarebasierten Regelschleife ins Spiel, ohne dafür die Flexibilität eines digitalen Reglers aufzugeben. Während der Verarbeitung werden die PWM-Schaltpunkte fortlaufend überwacht und angepasst, indem das Ausgangssignal des DAC innerhalb der softwaremäßigen Regelschleife unabhängig vom Schalten des PWM-Signals variiert wird.

Präzise und sichere Regelung

Shoot-through-Phänomene und die Möglichkeit des Leitens im dritten Quadranten bei GaN-FETs verlangen nach einer sehr präzisen Regelung. Die hochauflösende PWM-Erzeugung der C2000-MCUs ermöglicht ein Festlegen der Periodendauer, des Tastverhältnisses, der Phasenlage und des Totbands des PWM-Signals mit einer Auflösung von 150 ps. Während das Trip-Zone-Submodul zusammen mit den eingebauten Analog-Komparatoren für ein sicheres Handling von Fehlerzuständen sorgt, arbeiten diese vollkommen asynchron und bieten die Fähigkeit zum Abschalten des PWM-Ausgangs in nur 25 ns, und zwar völlig ohne Zutun der CPU.

Einfache Realisierung mehrphasiger Systeme

Abgesehen von einphasigen Designs, eignen sich die C2000-Echtzeit-MCUs auch zur Bewältigung von Problemen mit mehrphasigen Designs, bei denen alle Phasen stets zueinander synchronisiert sein müssen, um Funktionsstörungen zu vermeiden. Dabei können die Frequenz, das Tastverhältnis oder das Totband des PWM-Signals modifiziert werden. Sequenzielle Aktualisierungen dieser Parameter sind auch heute schon üblich. Sie erfordern aber Detailwissen über die Hardware sowie über die möglichen Permutationen des Codes, und dies ist in interruptbasierten Embedded-Systemen besonders schwierig.

Der globale Lademechanismus der C2000-MCUs kommt den PWM-Updates zugute, weil er das Aktualisieren aller erforderlichen PWM-Register in einem einzigen Befehlszyklus erlaubt, ohne dass die CPU eingreifen muss. Diese Neuerung ermöglicht die Regelung hochfrequenter, verschachtelter LLC-Topologien und eliminiert gleichzeitig Fehler, die sich häufig als intermittierende, einmalige Fehler äußern, die sich bei sequenziellen Updates einschleichen. Die Verwendung des globalen Lademechanismus verleiht einem System nicht nur mehr Robustheit und Funktionssicherheit, sondern verringert auch den Validierungsaufwand.

Nachdem es bisher um die individuellen Vorteile der GaN-Bauelemente und der C2000-Familie von TI ging, sollen nun die Pluspunkte auf der Systemebene angesprochen werden. Die Frequenz, mit der ein getakteter Wandler effizient betreibbar ist, war wegen der Schaltverluste der FETs stets auf einige hundert Kilohertz begrenzt. Aus der Schaltfrequenz wiederum ergeben sich gewisse Mindestabmessungen für die induktiven Bauelemente, mit entsprechend ungünstigen Auswirkungen auf die Leistungsdichte und die Kosten des jeweiligen Systems.

Überwindung der Herausforderungen durch höhere Schaltfrequenzen

Mit den GaN-Bausteinen lassen sich höhere System-Schaltfrequenzen erreichen. Da die induktiven Bauelemente hierdurch auf ein Fünftel ihrer ursprünglichen Größe verkleinert werden können, lässt sich die Leistungsdichte im Vergleich zu einer entsprechenden PFC-Applikation (Power Factor Correction) verdreifachen. Zum Tragen kommen diese Vorteile jedoch nicht nur in PFC-Stufen, sondern in sämtlichen Leistungselektronik-Systemen.

Wie bei allen positiven Dingen, gibt es natürlich auch hier eine Kehrseite, denn das Anheben der Schaltfrequenz bringt Nachteile und Design-Herausforderungen mit sich. Zum Beispiel kann das Verkleinern der Induktivität in einer Totem-Pole-PFC-Stufe zusätzliche Regelungsprobleme mit sich bringen, wie etwa eine Zunahme der durch das Totband hervorgerufenen Verluste im dritten Quadranten. Abhilfe hiergegen bieten die folgenden Features der C2000-Echtzeit-MCUs:

• Bei den C2000-Echtzeit-MCUs wird das Totband mit einer Auflösung von 150 ps eingestellt, was eine präzisere Platzierung der Flanken gestattet und unnötige Verluste im dritten Quadranten verringert.
• Wie weiter oben angesprochen, ermöglicht die TMU adaptive Totband-Regelungsverfahren, was die Verluste dank schnellerer Berechnungen weiter senkt.

In Aktion zu sehen sind diese Features in einem Referenzdesign („3.3kW Bidirectional interleaved CCM Totem Pole PFC Reference Design“) mit einem maximalen Wirkungsgrad von 98,75 Prozent und einem Oberschwingungsgehalt von unter zwei Prozent.

Das Verkleinern der Eingangs-Induktivität kann in einer Totem-Pole-PFC-Stufe zu einer höheren Stromspitze am Nulldurchgang führen, was sich wiederum ungünstig auf den Oberschwingungsgehalt auswirkt. Zu der höheren Stromspitze kommt es, wenn das Eingangssignal von der positiven in die negative Halbwelle übergeht, was einen Inrush-Strom hervorruft, wenn synchrone und aktive FETs wechseln.

Ursache für den Inrush-Strom ist der Aufbau einer Spannung an der Induktivität in Verbindung mit etwaigen Ausgangskapazitäten der FETs und Dioden. Die C2000-Echtzeit-MCUs wirken diesem Phänomen mit einem Schattenladesystem entgegen, das dem Mikrocontroller die Implementierung eines Softstart-Algorithmus mit minimalem Aufwand für die CPU ermöglicht.

Schließlich sind die Geschwindigkeit und die Parallelität der integrierten Analogfunktionen von grundlegender Bedeutung für die Regelschleifen-Frequenz eines digitalen Mikrocontrollers. Ohne diese wäre es nicht möglich, die Vorteile der TI-GaN-Bauelemente mit integriertem Treiber in vollem Umfang auszureizen. Tatsächlich besitzt die F28002x-Serie bis zu 16 einzelne analoge Kanäle, die mit zwei unabhängigen A/D-Wandlern verbunden sind.

Letztere bieten ein hervorragendes Performance-Niveau mit einer integralen Nichtlinearität (INL) von 2 LSB, einer differenziellen Nichtlinearität von 1 LSB und einer effektiven Anzahl an Bits (ENOB) von 11 Bit bei einer Abtastrate von bis zu 3,45 MSPS. Die Implementierung von mehreren ADCs gestattet die gleichzeitige Abtastung mehrerer Rückmeldesignal-Quellen wegen des flexiblen Starts der Umwandlungs-Trigger, die eng mit der PWM-Stufe gekoppelt sind und Anpassungen ermöglichen, um die beste Echtzeit-Regelungsstrategie zu erreichen.

Anbindung der C2000 Echtzeit-MCUs an die GaN-Bauelemente von TI

Zur Schnittstelle zwischen den C2000-Echtzeit-MCUs und dem GaN-Bauelement gehört ein Digitalisolator wie der ISO7741-Q1 (Bild 3). Dieser hilft bei der Unterdrückung von Störtransienten und schützt die Echtzeit-MCU. Mehr als der Mikrocontroller, der Isolationsbaustein und die GaN-Bauelemente wird für die Schnittstelle nicht benötigt.

TI-Digitalisolatoren, die eine hohe Isolationsfestigkeit von bis zu 5,7 kVrms bieten und Übertragungsraten bis zu 150 Mbit/s unterstützen, eignen sich hervorragend als Isolationsbarriere zwischen C2000-Echtzeit-MCU und GaN-FET. Insbesondere warten sie mit der Geschwindigkeit und der geringen Latenz auf, die für das Einrichten präziser Regelungen und Rückmeldepfade zwischen den Bausteinen erforderlich sind.

Die Ansteuerung des GaN-FET wird mithilfe des hochauflösenden PWM-Moduls realisiert, was eine auf 150 ps genaue Kontrolle der Periodendauer, des Tastverhältnisses, der Phasenlage und des Totbands des PWM-Signals gestattet. Der PWM-Ausgang verfügt über ein integriertes Trip-Zone-Submodul, das ohne Intervention der CPU binnen 25 ns auf Rückmeldesignale reagieren kann.

Die Echtzeit-Mikrocontroller der C2000-Reihe enthalten eine umfangreiche Peripherieausstattung, mit der sich ohne zusätzliche diskrete Bauelemente Rückmeldungen aus GaN-Bausteinen von TI einholen lassen (z. B. aus dem LMG3425R030). (na)