Stromverteilungs-IC

Hoch verfügbare Computerserver werden zum Beispiel üblicherweise mit zwei identischen DC-Stromversorgungen geliefert, die Strom an die einzelnen Baugruppen liefern. Jede Stromversorgung kann dabei die gesamte Last übernehmen, da die beiden Versorgungen via Leistungsdioden eine diodengeschützte Oder-Schaltung bilden, um eine einzige 1 + 1 redundante Versorgung zu bilden. Das heißt, dass die Stromversorgung mit der höheren Versorgungsspannung Leistung an die Baugruppe liefert, während die andere Versorgung ruhig im Stand-by-Modus verharrt. Wenn die aktive Stromversorgung nun aufgrund eines Fehlers oder des Ausbaus abfällt oder ganz abschaltet, wird die bisherige Stromversorgung mit der niedrigeren Versorgungsspannung zur Versorgung mit der höheren Spannung und übernimmt die Versorgung des Verbrauchers. Die Dioden verhindern ausgangsseitiges Einspeisen (back-feeding) und Kürzschlüsse (cross-conduction) zwischen den Versorgungen und schützen gleichzeitig das System vor Stromversorgungsfehlern.

Die diodengeschützte Oder-Schaltung ist ein einfaches System, bei dem die Versorgung mit der höchsten Spannung den gesamten Laststrom liefert. Die Versorgung mit der kleineren Spannung bleibt in Ruhe, solange bis sie aufgerufen wird. Obwohl einfach zu implementieren, ist die 1 + 1-Redundanzlösung uneffektiv, verschwendet Ressourcen, die besser dazu verwendet werden könnten, den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern und die Lebenszeit zu verlängern. Es ist wesentlich besser für die Stromversorgungen die Last als Tandem zu teilen, was beispielsweise folgende Vorteile hat:

• Die Lebenszeit der Stromversorgungen wird verlängert, wenn jede nur die halbe Last übernimmt, das verteilt die Wärmeentwicklung der Stromversorgung und reduziert den thermischen Stress für die Komponenten. Als Daumenwert für die Lebenszeit von Elektronik gilt, dass sich die Fehlerrate von Komponenten bei je 10 °C niedrigerer Temperatur halbiert. Das ist ein signifikanter Zuverlässigkeitsgewinn.
• Weil auch die Versorgung mit niedrigerer Spannung immer in Betrieb ist, gibt es keine Überraschung, wenn sie auf eine Backup-Versorgung übergeht, dass sie eventuell in der Ruhephase ausgefallen ist – eine Möglichkeit, die bei einfachen diodengeschützten Oder-Schaltungen vorhanden ist.
• Es ist in einem lastverteilten System möglich, zur Verfügung stehende kleinere Stromversorgungen zu verwenden, um eine größere aufzubauen.
• Die Dynamik der Erholung nach einem Stromversorgungsfehler ist sanfter und schneller, da die Stromänderung im Bereich von mehr und weniger liegt und nicht vollständig ein und aus.
• Ein mit zwei Stromversorgungen gebildeter DC/DC-Wandler der nur bei halber Kapazität läuft hat einen höheren Gesamtwirkungsgrad als eine einzige Stromversorgung, die nahe an der vollen Kapazität läuft.

Methoden der Stromaufteilung

Das Verbinden der Ausgänge mehrerer Stromversorgungen ermöglicht es, einen gemeinsamen Laststrom aufzuteilen. Diese Aufteilung des Laststroms auf die einzelnen Versorgungen ist abhängig von den Ausgangsspannungen der einzelnen Versorgungen und den Widerständen in den Versorgungspfaden zur gemeinsamen Last. Dies wird als Lastverteilung mit P-Bereich (droop-sharing) bezeichnet. Um ein ausgangsseitiges Einspeisen (back-feeding) einer Stromversorgung zu verhindern und das System von einer fehlerhaften Stromversorgung zu trennen, können in Reihe geschaltete Dioden zu jeder Stromversorgung hinzugefügt werden. Natürlich beeinflusst der zusätzliche Spannungsabfall an den Dioden die Ausgewogenheit der Verteilung des Laststroms.

Bild 1: Der LTC4370 verteilt einen 10-A-Laststrom zwischen zwei als diodengeschützte Oder-Schaltung geschalteten 12-V-Stromversorgungen. Die Stromaufteilung wird durch die Modulierung des Spannungsabfalls an den MOSFETs erreicht. Linear Technology

Droop sharing ist einfach, aber die verteilte Genauigkeit ist schlecht geregelt und die in Reihe geschalteten Dioden verursachen Verluste bezüglich Strom und Spannung. Eine besser geregelte Methode der Stromverteilung ist es, den Versorgungsstrom zu überwachen und ihn mit einem durchschnittlichen Strom zu vergleichen, der für jede Versorgung benötigt wird, und dann die Versorgungsspannung (über den Trim-Pin oder das Rückkoppelnetz) solange einzustellen, bis der Versorgungsstrom dem erforderlichen Wert entspricht. Diese Methode erfordert Leitungen zu jeder Stromversorgung – einen gemeinsamen Bus – um die erforderliche Strommenge von jeder Versorgung anzuzeigen. Die Kompensation der Stromverteilungsschleife ist kundenspezifisch, um der Dynamik der Stromversorgungsschleife Rechnung zu tragen. Eine geregelte Stromverteilung erfordert eine sorgfältige Entwicklung und Zugriff auf alle Stromversorgungen – das ist in manchen Systemen nicht möglich.

Der stromverteilende Controller

Der LTC4370 enthält die proprietäre Stromverteilungstechnik mit einstellbaren Dioden von Linear Technology. Er verteilt die Last zwischen zwei Stromversorgungen über externe N-Kanal-MOSFETs, die als einstellbare Dioden wirken, deren Einschaltspannung moduliert werden kann, um ein ausgewogenes Stromverteilen zu erzielen. Bild 1 zeigt den LTC4370 beim Verteilen einer 10-A-Last auf zwei 12-V-Stromversorgungen.

Bild 2: Interne Komponenten des LTC4370, die mit der Verteilung des Laststroms zusammenhängen.Linear Technology

Bild 2 zeigt die internen Komponenten des Bausteins, die die Lastverteilung beeinflussen. Der Fehlerverstärker EA (error amplifier) überwacht die differenzielle Spannung zwischen den Out1- und Out2-Pins. Er stellt die Vorwärts-Regelspannung V_FR der beiden Servoverstärker (SA1 und SA2) ein, jeweils für eine Stromversorgung. Der Servoverstärker moduliert das Gate des externen MOSFET (folglich seinen Widerstand) derart, dass der Vorwärts-Spanungsabfall über den MOSFET gleich der Vorwärts-Regelspannung ist. Der Fehlerverstärker setzt die VFR der niedrigeren Spannungsversorgung auf einen minimalen Wert von 25 mV. Der Servo an der höheren Spannungsversorgung ist auf 25 mV gesetzt, plus dem Unterschied zwischen den beiden Versorgungsspannungen. Auf diese Weise werden beide Out-Pin-Spannungen ausgeglichen. Out1 = Out2 impliziert auch I₁ x R₁ = I₂ x R₂. Deshalb auch I₁ = I₂ wenn R₁ = R₂. Eine einfache Einstellung mit Fühlwiderständen mit unterschiedlichen Werten kann verwendet werden, um eine ratiometrische Verteilung zu setzen, zum Beispiel I₁/I₂ = R₂/R₁. Man beachte, dass die Lastspannung unterhalb der kleinsten Versorgungsspannung 25 mV folgt.

Der MOSFET in Verbindung mit dem Servoverstärker verhält sich wie eine Diode, deren Einschaltspannung die Vorwärts-Regelspannung ist. Der MOSFET wird ausgeschaltet, wenn seine Durchlassspannung unter die Regelspannung fällt. Bei steigendem MOSFET-Strom steigt die Gate-Spannung, um den On-Widerstand zu reduzieren und damit die Durchlassspannung an V_FR beizubehalten. Dies gilt, bis die Gate-Spannung einen Pegel von 12 V über der Quelle übersteigt. Ein weiterer Stromanstieg steigert den Abfall am MOSFET linear, da I_FET x R_DS(ON).

Wenn die beschriebene Situation als gegeben angenommen wird, so dass der Fehlerverstärker die Vorwärts-Regelspannung des Servoverstärkers setzt, ist dies funktional identisch mit der Einstellung der Einschaltspannung der (MOSFET-basierten) Diode. Der Einstellbereich reicht von einem Minimum von 25 mV bis zu einem Maximum, das vom Range-Pin eingestellt wird.

Der Controller kann die Last von Versorgungen zwischen 0 V bis 18 V verteilen. Wenn beide Versorgungsspannungen unter 1,9 V liegen, ist eine externe Versorgung im Bereich zwischen 2,9 V und 6 V am V_CC-Pin nötig, um den LTC4370 zu versorgen. Unter Rückstrombedingungen wird das Gate des MOSFET innerhalb 1 µs abgeschaltet. Das Gate wird bei einem großen Vorwärts-Spannungsabfall auch unter 1 µs eingeschaltet. Das schnelle Einschalten, wichtig für kleine Versorgungsspannungen, wird durch einen Ladekondensator am Ausgang der integrierten Ladungspumpe erreicht. Er speichert Ladung wenn der Baustein in Betrieb ist und liefert während eines schnellen Einschaltens 1,4 A Gate-Pull-up-Strom.

Die beiden /EN1- und /EN2-Pins können benutzt werden, um ihre entsprechenden MOSFETs auszuschalten. Man beachte, dass weiterhin Strom durch die Body-Diode des MOSFETs fließen kann. Wenn beide Kanäle ausgeschaltet sind, wird der Stromverbrauch des Bausteins auf 80 µA pro Versorgung reduziert. Die FET-ON-Ausgänge zeigen an, ob der entsprechende MOSFET ein oder aus ist.

Charakteristik der Stromverteilung

Bild 3: Charakteristika der Stromaufteilung der im LTC4370 verwendeten Methode, wenn die Spannungsunterschiede in der Versorgung schwanken.Linear Technology

Bild 3 zeigt die Charakteristik der Stromverteilung des LTC4370 mit der Methode der einstellbaren Dioden. Es zeigt zwei Kurven, beide mit dem Versorgungsspannungsunterschied ∆V_IN = V_IN1 – V_IN2 auf der X-Achse. Der obere Plot zeigt die beiden Versorgungsströme normiert auf den Laststrom, der untere den Durchlassspannungsabfall V_FWDx an den MOSFETs. Wenn beide Versorgungsspannungen gleich sind, (∆V_IN = 0 V), sind auch die Versorgungsströme gleich und beide Durchlassspannungen sind am Minimum der Servospannung bei 25 mV. Wenn V_IN1 über V_IN2 ansteigt (positives ∆V_IN), bleibt V_FWD2 bei 25 mV, während V_FWD1 genau mit ∆V_IN ansteigt, um OUT1 = OUT2 beizubehalten. Dies wiederum heißt I₁ = I₂ = 0,5 I_Load.

Es gibt ein oberes Limit für die Einstellbarkeit von V_FWD, gesetzt durch den Range-Pin. Bei dem Beispiel in Bild 3 ist diese Begrenzung 525 mV, gesetzt vom Range-Pin mit 500 mV. Wenn V_FWD1 diese Begrenzung erreicht, wird die Stromverteilung unausgewogen und jeder weitere Anstieg von V_IN1 treibt Out1 über Out2.

Der Schnittpunkt ist V_FR(MAX) – V_FR(MIN), wenn mehr des Laststroms aus der Versorgung mit der höheren Spannung kommt. Wenn Out1 – Out2 = I_Load x R_Sense geht der gesamte Laststrom auf I₁ über. Dies ist der Betriebspunkt mit dem Maximum der Verlustleistung im MOSFET M1, da der gesamte Laststrom bei der maximalen Durchlassspannung durch ihn fließt. Ein Laststrom von 10 A generiert zum Beispiel 5,3 W (= 10 A x 525 mV) Verlustleistung im MOSFET. Für jeden weiteren Anstieg von ∆V_In regelt der Controller die Durchlassspannung am M1 bis auf das Minimum von 25 mV herunter. Dies minimiert die Verlustleistung im MOSFET bei großem V_In, wenn der Laststrom nicht aufgeteilt wird. Das Verhalten bei negativer ∆V_In ist gleich.

Der Erfassungsbereich der Stromverteilung ist in diesem Beispiel 500 mV und wird vom Range-Pin gesetzt. Mit diesem Bereich kann der Controller Stromversorgungen zusammenschalten, die eine Toleranz von ±250 mV haben. Dies entspricht den folgenden Angaben: ±7,5 % Toleranz an einer 3,3-V-, ±5 % an einer 5-V- und ±2 % bei einer 12-V-Versorgung.

Designbetrachtungen

Nachfolgend sind einige Tipps für das High-Level-Design von stromverteilenden Systemen zusammengestellt.

Idealerweise sollte der R_DS(ON) des MOSFETs klein genug sein, so dass der Controller die minimale Vorwärts-Regelspannung von 25 mV am MOSFET mit dem halben Laststrom, der durch ihn fließt, einstellen kann. Ein höherer R_DS(ON) verhindert, dass der Controller 25 mV regeln kann. In diesem Fall ist der ungeregelte Spannungsabfall 0,5 I_L x R_DS(ON). Wenn dieser Abfall ansteigt, erscheint der Schnittpunkt der Stromaufteilung (jetzt definiert von V_FR(MAX) – 0,5 I_L x R_DS(ON)) früher und schränkt den Erfassungsbereich ein. Da der MOSFET Leistung verbraucht, bis zu I_L x V_FR(MAX) wie in Bild 3, sollten auch sein Gehäuse und seine Kühlkörper sorgfältig gewählt werden. Der einzige Weg, weniger Verlustleistung im MOSFET zu erzeugen, ist es, genauere Stromversorgung zu verwenden oder indem man auf einen Verteilungsbereich verzichtet.

Bild 4: 5-V-Dioden-OR-Lastverteilung mit Zustands-LED. Die rote LED 1 leuchtet, wenn ein MOSFET ausgeschaltet ist und zeigt damit einen Bruch in der Stromverteilung an.Linear Technology

Der Range-Pin setzt den Erfassungsbereich für die Stromverteilung der Applikation, der wiederum von der Genauigkeit der Versorgungen abhängt. Ein 5-V-Stromversorgungssystem mit ±3 % Toleranz würde einen Verteilungsbereich von 2 x 5 V x 3 % oder 300 mV (höhere Versorgungsspannung ist 5,15 V, die geringere ist 4,85 V) haben. Der Range-Pin hat einen präzisen internen Pull-up-Strom von 10 µA. Das Platzieren eines 30,1-kOhm-Widerstands am Range-Pin setzt seine Spannung auf 301 mV und nun kann der Controller die 300 mV Unterschied in der Versorgungsspannung kompensieren (Bild 4). Das leerlaufen lassen des Range-Pins (wie in Bild 1 gezeigt) ergibt einen maximal möglichen Stromverteilungsbereich von 600 mV. Wenn aber die Servospannungen die Diodenspannung erreichen, können Ströme durch die Body-Diode des MOSFETs fließen und Verluste beim Verteilen verursachen. Das Verbinden des Range-Pins mit V_CC verhindert bei der Lastverteilung, dass der Baustein in einen idealen Zweifach-Dioden-Controller übergeht.

Die Lastverteilungsschleife wird mit einem einzigen Kondensator zwischen dem Comp-Pin und Masse kompensiert. Dieser Kondensator muss fünfzigmal die Eingangskapazität des MOSFETs C_ISS besitzen. Wird das schnelle Gate-Einschalten nicht verwendet (keine CPO-Kondensatoren vorhanden), muss der Kondensator nur zehnmal die Kapazität von C_ISS haben.

Die Fühlwiderstände bestimmen die Genauigkeit der Stromaufteilung. Die Genauigkeit steigt, wenn der Spannungsabfall am Widerstand ansteigt. Die maximale Offsetspannung des Fehlerverstärkers beträgt 2 mV. Deshalb ergibt ein 25-mV-Spannungsabfall am Fühlwiderstand einen Stromverteilungsfehler von 4 %. Dieser Widerstandswert kann verringert werden, wenn die Verlustleistung wichtiger als die Genauigkeit ist.

(jj)