(Bild: Flex Power Modules)
Überschrift
Zunehmend werden Stromversorgungsmodule von Softwaretools der Hersteller begleitet, die Zugriff auf die volle Funktion des Moduls und kürzere Entwicklungszeiten ermöglichen. Der folgende Beitrag befasst sich mit Power-Design-Software, was sie bietet und wie sie sich weiterentwickelt.
Da Stromversorgungslösungen immer kleiner und immer leistungsfähiger werden sollen, nehmen die Herausforderungen bei der thermischen Auslegung eines Designs erheblich zu. Darüber hinaus gibt es eine ständig wachsende Liste von Normen und Vorschriften, die eingehalten werden müssen, insbesondere im Bereich elektromagnetische Störungen (EMI).
Diese Herausforderungen müssen gelöst werden – und zwar schnell. Moderne Stromversorgungsmodule werden immer fortschrittlicher, um die Anforderungen komplexer Halbleiter zu erfüllen, die sie mit Strom versorgen sollen, damit Entwicklern mehr Handlungsspielraum zur Verfügung steht. Die Stromversorgung wird jedoch häufig in den letzten Phasen eines Projekts hinzugefügt, was meist sehr kritisch ist und bei Verzögerungen die Markteinführung behindern kann.
Konfigurierbare Stromversorgungen
Mit dem Übergang von der analogen zur digitalen Regelung haben sich die Konfigurations- und Steuerungsmöglichkeiten von Stromversorgungsmodulen erheblich verbessert. Digital Power ermöglicht eine neue Generation hochkonfigurierbarer und modularer Stromversorgungen, da keine externen passiven Bauelemente mehr erforderlich sind, um zum Beispiel die Funktion des Regelkreises zu verändern.
Diese Module ermöglichen hochentwickelte, aus mehreren Bauteilen bestehende Stromversorgungssysteme, die so aufgebaut sind, dass sie die Anforderungen komplexer moderner Halbleiterbauelemente wie FPGAs mit der präzisen Sequenzierung mehrerer Versorgungsschienen erfüllen können. Da einzelne Module durch Softwaresteuerung aktiviert beziehungsweise deaktiviert werden können, sind Techniken wie das Phase-Spreading möglich, mit dem sich Systeme „On the Fly“ rekonfigurieren lassen, um den strengen modernen Effizienzstandards zu entsprechen. Diese Standards fordern flachere Wirkungsgradkurven mit einem verbesserten Wirkungsgrad bei niedrigen Leistungspegeln. Dafür werden einige Module in einer parallelen Konfiguration deaktiviert, wodurch die verbleibenden Module mit maximalem Wirkungsgrad arbeiten können.
Power-Design-Software unterstützt den Entwicklungszyklus vom Prototyp bis zur Fertigung. Flex Power Modules
Konfigurationen können an die physische Hardware gesendet und von dieser zurückgelesen werden. Flex Power Modules
Da jedoch moderne digital geregelte Stromversorgungsmodule immer leistungsfähiger werden und mehr Konfigurationsmöglichkeiten bieten, ist ein komplexerer Ansatz erforderlich, um sowohl die einzelnen Module als auch das Gesamtsystem zu konfigurieren.
Software für Stromversorgungsmodule und deren Design-Workflow
Um diese neuen Module zu unterstützen, bieten mehrere Anbieter eine Design-Support-Software an, die Entwicklern oft kostenlos zur Verfügung steht. Diese Softwarepakete sind natürlich auf die Module des jeweiligen Herstellers zugeschnitten und erfüllen unzählige Funktionen.
Während die Konfiguration einzelner Module für den Betrieb eines Systems wichtig ist, benötigen Entwickler jedoch einen vollständigen Überblick über das gesamte Stromversorgungssystem und die Interaktion der Module, um alle Herausforderungen zu verstehen, die es zu berücksichtigen gilt. Moderne Power-Design-Software erkennt dies und bietet erweiterte Funktionen, die den Prozess vom Prototyp bis zur Fertigung unterstützen.
Vom Prototyp bis zur Fertigung
Die Software ist auf einem Host-PC installiert und kommuniziert bidirektional mit dem Stromversorgungssystem über einen gemeinsamen Bus wie den PMBus. Dafür stehen USB-Adapter zur Verfügung, die eine schnelle und zuverlässige Verbindung ermöglichen.
Die meisten Programme arbeiten auf der Grundlage eines „Projekts“. Zuerst wird ein Projekt mithilfe der Power-Design-Software als Datei auf dem PC erstellt. Der nächste Schritt im Workflow ist der Aufbau des Systems durch Auswahl der darin enthaltenen Bauteile. Diese Abläufe werden offline durchgeführt und die Bauteile werden aus einer vom Hersteller bereitgestellten Bibliothek ausgewählt, die in die Software integriert ist.
Aufgrund der großen Anzahl von Produkten, die von den meisten Herstellern angeboten wird, steht eine Suchfunktion zur Verfügung. Dies ermöglicht die Suche nach der Artikelnummer – sofern diese bekannt ist – oder nach Produkttyp (POL, IBC), Ausgangsspannung/-leistung, Funktion (Tracking, dynamische Schleifenkompensation, dynamische Lastverteilung) und Größe der Bauteile etc. Durch ein regelmäßiges Update der Software wird sichergestellt, dass stets die neuesten Module zur Auswahl stehen.
Grundlegende Parameter festlegen
Der nächste Schritt besteht darin, mithilfe der Software die grundlegenden Parameter des Systems festzulegen. Dazu gehört das Einrichten der PMBus-Adressen und die Definition aller Spannungsschienen im System. Die Entwickler verwenden dann die Software, um jede Schiene weiter zu konfigurieren und Parameter wie Spannung, Anlaufzeit, Fehlerparameter etc. zu definieren – abhängig von den Fähigkeiten der Module, die jede einzelne Schiene mit Strom versorgen. Die meisten Programme ermöglichen eine intuitive Benennung von Schienen, um sie an ihre Funktion oder die Benennung auf dem Schaltplan des Hauptkreises anzupassen, was zu einer einfacheren Orientierung führt.
Für komplexere Systeme mit vollständig ausgestatteten Modulen besteht der letzte Teil des Aufbaus darin, Funktionen auf Systemebene zu konfigurieren, zum Beispiel Spannungsschienen-Sequenzierung, Tracking und Phasenspreizung.
Alle Arbeiten bis zu diesem Punkt wurden offline abgeschlossen und es ist keine PMBus-Verbindung erforderlich, ebenso wenig wie Hardware oder Lötkolben. Zu diesem Zeitpunkt ist es möglich, eine Systemkonfigurationsdatei zu erstellen, mit der die Module beziehungsweise das System in einer Fertigungsumgebung konfiguriert werden können.
An dieser Stelle entscheiden sich Entwickler jedoch meist dafür, die Konfiguration in Hardware zu testen. Über den Kommunikationsbus (meist PMBus) werden alle Konfigurationsinformationen an die Module gesendet und im integrierten nichtflüchtigen Speicher (NVM) gespeichert.
Themen der nächsten Seite sind Hardware-Evaluierung und Überwachung und thermische Analyse und Evaluierung
Moderne Power-Design-Software bietet weitaus mehr Funktionen an als nur die Konfiguration der Module und Systemparameter. Wenn Entwickler das System in Betrieb nehmen, es überprüfen und anpassen, stellen die meisten Programme ebenfalls eine detaillierte Überwachung der Leistungsfähigkeit bereit.
Auf der untersten Ebene werden die Spannungsschienen überwacht – in der Regel stehen aber viel mehr Daten von den Stromversorgungsmodulen zur Verfügung. Je nach Softwarepaket und verwendeten Modulen können Entwickler kontinuierlich Spannung und Strom an mehreren Punkten sowie die Modultemperatur, den Arbeitszyklus und die Betriebsfrequenz überwachen. Mit dieser fortschrittlichen Software lässt sich jeder Parameter über die Zeit grafisch darstellen, wobei die Abtastintervalle und die Überwachungsdauer wählbar sind. So lässt sich die Funktionsweise des Systems genau verstehen.
Viele Stromversorgungsmodule enthalten Schaltungen zur Erkennung von Fehlern wie Überspannung, Überstrom, Übertemperatur etc. Die Power-Design-Software kann auch diese Alarm- und Fehlermeldungen überwachen. Mithilfe der Messkurven können Entwickler somit den genauen Systemzustand unmittelbar vor dem Fehlerzustand verstehen.
Design und Entwicklung sind von Natur aus ein iterativer Prozess und Power-Design-Software erkennt die Notwendigkeit, Designs für optimale Leistungsfähigkeit anzupassen. Entwickler können im RAM der Module gespeicherte Werte auslesen und anschließend innerhalb der Software Konfigurationsanpassungen vornehmen, bevor sie die eingestellten Parameter erneut in die Module laden und die Analyse der physischen Hardware fortsetzen.
Ist die Entwicklungsphase abgeschlossen und das Design stabil, kann die Konfiguration mit der Design-Software in eine endgültige Konfigurationsdatei geschrieben werden, die für die Serienfertigung zum Einsatz kommt.
Thermische Analyse und Evaluierung
Da einzelne Module durch Softwaresteuerung aktiviert beziehungsweise deaktiviert werden können, sind Techniken wie das Phase-Spreading möglich. Flex Power Modules
Bis vor kurzem war die einzige wichtige Funktion, die in der Power-Design-Software noch fehlte, eine detaillierte thermische Simulation des Designs. Angesichts der Leistungsfähigkeit und Leistungsdichte, die in modernen Stromversorgungssystemen erforderlich ist, ist dies ein wichtiger Aspekt bei der Simulation und Analyse. Entwickler können damit sicherstellen, dass unter allen Betriebsbedingungen, einschließlich Fehlern, ein ausreichender Spielraum vorhanden ist.
Flex Power Modules hat vor kurzem die Version 3.0 seiner „Flex Power Designer Software“ eingeführt, die diese Funktion nun als Standard beinhaltet. Damit können Entwickler die Thermal Performance ihres Designs vollständig simulieren und die Auswirkungen von Änderungen wichtiger Parameter wie Umgebungstemperatur, PCB Kupferstärke des PCB und erzwungener Luftkühlung erkennen.
Das Simulationstool bietet eine grafische Ausgabe mit den Abhängigkeiten zwischen mehreren Parametern, zum Beispiel Temperatur gegen Ausgangsstrom, Eingangsspannung oder Drehzahl des Lüfters. Auf der Grundlage dieser Informationen können Entwickler feststellen, ob ihr Design etwaige Derating-Richtlinien und Sicherheitsanforderungen erfüllt, wodurch sich das Risiko von Schwachstellen im Design verringert.
Fazit
Moderne Stromversorgungsmodule sind eigenständige hochentwickelte Subsysteme, die mit moderner Power-Design-Software aus verschiedenen Quellen gekoppelt werden können. Hardware und Software bieten zusammen eine ausgereifte und iterative Entwicklungsumgebung, in der sich anspruchsvolle Designs schnell und zuverlässig abschließen lassen. Die Erweiterung der Software von Flex Power Modules um eine thermische Simulation und Analyse ist ein Fortschritt bei der Entwicklung von Stromversorgungslösungen.
Anders Sellin
(neu)
