Komplexe Power-System-Entwicklung

Durch neueste Entwicklungen im Bereich Powerkomponenten können Entwickler Stromversorgungen konfigurieren, die wesentlich bessere Eigenschaften aufweisen, als ihre Vorgängerlösungen. Die auf Mikrocontrollern und FPGAs aufgebauten Systeme benötigen höhere Ströme aus einer Vielzahl von niedrigen Versorgungsspannungen. Platinen, auf denen diese Komponenten verbaut werden, brauchen mehrfache Stromversorgungspfade mit großer Stabilität und hohen Leistungen und haben oftmals komplexen Einschränkungen beim Ein- und Ausschalten. Auf Rack- oder Systemebene gestalten sich diese Problematiken äußerst kompliziert.

Innovative Architekturen für Wandlerstufen, die die Vorteile neuer Technologien von Leistungshalbleitern und modularen High-Performance-Lösungen ausnutzen, stellten sich diesen Herausforderungen. Eine Zunahme der möglichen Optionen, mit denen sich die jeweils geforderten Spezifikationen eines Systems konfigurieren lassen, vereinfacht jedoch nicht die Arbeit der Entwickler. Inzwischen wurden grundlegende Funktionen wie die Spannungsübertragung, die Regelung sowie die Isolation aufgetrennt. Je nach Anforderungen lassen sich diese Funktionen an beliebiger Stelle im Leistungspfad platzieren. Für ein optimales Layout ist es jedoch erforderlich, wesentlich mehr Optionen durchzuspielen.

Mehr Designauswahl bei der Stromversorgung

Ein Beispiel für diese erweiterte Designauswahl ist BCM, ein DC/DC-Buswandler für Niederspannungen von Vicor. Er nutzt die Sine-Amplitude-Conversion-Technologie von Vicor und beinhaltet eine bidirektionale Wandlerstufe mit festem Übersetzungsverhältnis und hohem Wirkungsgrad. Entweder in einem IC-ähnlichen Chip oder in einem benutzerfreundlichen VIA-Gehäuse bietet das Bauteil dem Entwickler damit eine isolierte Wandlerfunktion. Die Regelung kann vor dem BCM erfolgen. Wird das Bauteil mit einer stabilen 48-V-Spannung versorgt, generiert es direkt auf der Leiterplatte eine niedrige Versorgungsspannung. Eine zusätzliche Regelung ist dabei nicht erforderlich. Alternativ kann das Bauteil auch eine weniger genaue Spannung auf einen niedrigeren Spannungslevel herabsetzen, woraus sich mit Point-of-Load (PoL) -Reglern eine Vielzahl verschiedener Spannungen generieren lassen.

Das BCM ist Teil eines größeren Produktportfolios von Powerkomponenten. Dazu gehört auch VTM, ein Point-of–Load Strommultiplizierer mit ebenfalls festem Übersetzungsverhältnis. Weitere Komponenten sind das PRM, ein Regler für den Einsatz in einer Factorized-Power-Architektur, der ein VTM versorgt, um damit PoL-Spannungen zu erzeugen, sowie das DCM, ein isolierter und geregelter DC/DC-Wandler. Dies sind Beispiele eines umfassenden Produktspektrums von geregelten sowie ungeregelten, isolierten und nicht isolierten Funktionsblöcken, die sich in einer nahezu unendlichen Anzahl von Konfigurationen miteinander verknüpfen lassen.

Für den Stromversorgungsentwickler stellt sich weniger die Frage „kann ich die benötigte Leistung zur Verfügung stellen?“ sondern eher die Aufgabe „wie finde ich die optimale Lösung aus der Vielzahl der verfügbaren Optionen?“

In der Vergangenheit waren die Auswahlmöglichkeiten durch die Produkteigenschaften und die Praxisanforderungen (Umfeld) eingeschränkt. So ist zum Beispiel eine 48-V-Busspannung eine häufige Standardlösung in einem Distributed-Power-System. Bei früheren Generationen von DC/DC-Wandlern sinkt der Wirkungsgrad bei der Erzeugung niedriger Ausgangsspannungen (von 48 V auf Spannungen im einstelligen Bereich) typischerweise stark ab. Mit Leiterkarten, die immer mehr Versorgungsspannungen im Bereich von 1 V und darunter fordern, wurde eine weitere Busspannungsebene von zum Beispiel 12 V verwendet.

Kosten einer Optimierung

Mit den Powerkomponenten von Vicor ist eine direkte Umwandlung von 48 V auf die PoL-Spannung möglich. Werden bei der Erzeugung eines Zwischenbusses auftretende Verluste vermieden, dann kann diese Umwandlung auch die effektivste Option sein. Um den optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, hat der Entwickler keine andere Möglichkeit, als die Datenblätter zu wälzen. Jedes dieser Datenblätter hat viele Seiten mit Diagrammen, Betriebsparametern und Eigenschaften der jeweiligen Bauteile. Hat sich der Entwickler für eine spezielle Lösung entschieden, muss er sich durch die Details der Datenblätter arbeiten, die Betriebsbedingungen von jedem einzelnen Modul bestimmen, Wirkungsgrade und Verluste herausfinden, diese von Hand oder in einer Tabelle zusammenfassen und diese Berechnungen für jede weitere Konfiguration durchführen, die als realistische Alternativen denkbar sind.

Sind die Leerlaufverluste von Bedeutung, muss dieser Prozess mit den Ruhestromwerten jedes einzelnen Blockes wiederholt werden. Eine weitere Freiheitstufe bietet die bereits erwähnte Option, die grundlegenden Funktionseinheiten der Wandlerstufen an beliebiger Stelle im Leistungspfad anzuordnen. Verluste und die damit verbundene Wärmeerzeugung sind unvermeidbar. Bis zu einem gewissen Grad können Entwickler die Topologie der Stromversorgung so anpassen, damit Verluste in einem Bereich erzeugt werden, in dem sie am einfachsten beherrschbar sind. Eine weitere wichtige Rolle spielen die Kosten. Sind alle Komponenten eines Systems entwickelt, muss die Stromversorgung in den noch zur Verfügung stehenden freien Raum passen. Nicht nur die Baugröße der größten Blöcke wie des AC/DC-Wandlers kann ein kritischer Faktor sein. Auch Point-of-Load-Regler mit ihren passiven Bauteilen auf den Leiterkarten beeinflussen die Baugröße.

In Minuten ein Power-System entwickeln

Vor diesem Hintergrund entwarf Vicor die Power-System-Designer-Software, die es dem Entwickler ermöglicht, eine komplette Stromversorgung in Minuten zu entwickeln. Dieses einfach anzuwendende Tool arbeitet mit den eingegebenen Parametern, basiert auf der Power-Component-Methode von Vicor und liefert schnell eine optimierte Lösung. Zum Einsatz kommen die High-Performance-Powerkomponenten von Vicor. Vom Entwickler benötigt das System lediglich die Informationen zu den Ein- und Ausgangsparametern. Mit diesen Daten entwirft das System automatisch eine komplette Konfiguration einschließlich aller relevanter Betriebsparameter.

Der Power System Designer vereinfacht die Entwicklung eines Power-Systems. Vicor

Obwohl der Power System Designer kein vollständiger Schaltkreissimulator ist, nutzt er die umfassenden und detaillierten Simulationsergebnisse aller Vicor-Powerkomponenten. Er ähnelt mehr einem auf dem Modulverhalten basierenden Ansatz, bei dem die Betriebsparameter aller Komponenten und Module detailliert simuliert, im echten Betrieb gemessen und dann in tabellarischer Form erfasst wurden. Dies ermöglicht dem Online-Tool einen schnellen Zugriff auf die benötigten Daten.

Zusätzlich wurde ein auf bestimmte Auswahlkriterien basierendes Verhalten in die Software programmiert. Aus der Vielzahl von Möglichkeiten mit den Powerkomponenten wurden die Kombinationen mit den vergleichsweise besten Ergebnissen ausgewählt. Durch diese Betriebsart ist der Power System Designer schnell und präzise und liefert sofort Ergebnisse. Sobald die Parameter einer Lösung im Detail analysiert werden sollen, fungiert dieses Tool als Einstiegsplattform in das voll editierbare Whiteboard-Tool.

Lösung an die gewünschten Leistungsdaten anpassen

Beispiel eines typischen Konfigurationsvorschlags. Vicor

Je nach AC- oder DC-Quelle und den spezifizierten Ausgangsspannungen, Leistungen und Strömen sowie den Anforderungen an Isolation und Regelung, identifiziert die Software nicht nur die „beste“ Lösung, sondern präsentiert verschiedene alternative Vorschläge, jeder auch mit den jeweiligen Leistungsdaten. Der Wirkungsgrad wird nicht nur als Gesamtwert angezeigt, sondern aufgeteilt auf den Eingangsteil sowie die PoL-Stufen. Wie bereits erwähnt, kann der Entwickler den Flächenbedarf der Baugruppen für die gesamte Stromversorgung in seinem System verteilen. Das Tool zeigt sowohl den Flächenbedarf für die gesamte Lösung als auch für das Eingangsteil und die PoL-Wandler. Für jedes ausgewählte Design kann das Tool ein Abbild des mechanischen Layouts darstellen sowie eine komplette Stückliste erstellen, auf deren Basis man auch Preis- und Bestellinformationen erhält.

Ganzheitlicher und schnellerer Ansatz

Der Power System Designer zeigt auch für jede Lösung die Ausnutzung der möglichen Leistungsfähigkeit der Eingangsstufe sowie der PoL-Wandler; das heißt für jede Komponente wird berechnet, welcher Anteil der spezifizierten maximalen Leistung aktuell ausgenutzt wird. Damit erfährt der Entwickler sowohl die Margen im Design als auch die Ausnutzung der möglichen Leistungsdaten. Mit nur einem Mausklick gelangt der Entwickler zum Whiteboard und kann eine detaillierte Analyse durchführen.

Der Power System Designer bietet einen deutlichen Vorteil gegenüber bisher angebotenen Simulationen oder Entwicklungstools. Er betrachtet die Gesamtlösung vom Eingang bis zu den Lasten und fokussiert sich nicht nur auf einzelne Funktionsblöcke wie den Eingangsteil oder die PoL-Regler. Die komplette Produktpalette der modularen Powerkomponenten kann bei der Auswahl von Lösungen in die Betrachtung mit einbezogen werden. Damit lassen sich nahezu alle Eingangs- und Leistungsteilanforderungen bearbeiten und es bietet sich ein schneller Weg zu einer höheren Leistungsdichte und schnelleren Marktreife bei gleichzeitiger Minimierung von Entwicklungsrisiken.