Eckdaten

Stromversorgungen sind und bleiben selbstverständlich immer ein Teil ihrer grundsätzlich analog arbeitenden Umgebung. Keine noch so ausgefeilte Software kann tiefes Verständnis der verschiedenen Netzteilarchitekturen und langjährige Erfahrung im Wandlerdesign ersetzen. Aber der Einsatz digitaler Steuer- und Regeltechnik erlaubt, Netzteile mit ganz neuen Eigenschaften und für neue Märkte zu entwickeln und in vernetzten Systemen als Schlüsselkomponente deutlich sichtbarer zu machen.

Puristen argumentieren damit, dass prinzipiell jedes Schaltnetzteil digital arbeitet, weil letztlich irgendwo ein Schalter den Energiefluss steuert und der kennt bekanntlich nur zwei Zustände: ein oder aus, also ein binäres oder digitales Szenario. Hier geht es selbstverständlich um ein bisschen mehr als das, sonst wäre der Beitrag an dieser Stelle ja schon zu Ende.

Wie digital sind Netzteile?

Wir wollen einen Blick auf die Netzteilarchitektur werfen und uns vor allem den Steuer- und Regelkreisen widmen, die in klassischen Topologien komplett analog und unter Verwendung mehr oder weniger schneller und präziser diskreter Bauelemente aufgebaut sind. Heute nutzen Entwickler in modernen Designs zunehmend die Möglichkeiten schnell reagierender und verschleißfreier Digitalbausteine, denen die vorliegenden Daten zwar erst einmal aufbereitet werden müssen, die damit dann aber extrem schnell und vielseitig weiterarbeiten können.

Vergleich analog und digital

Bild 1: Blockschaltbild eines digital gesteuerten Schaltnetzteils.

Bild 1: Blockschaltbild eines digital gesteuerten Schaltnetzteils. Emtron

Bild 2: Statuswort und Registerstruktur im PMBus-Standard.

Bild 2: Statuswort und Registerstruktur im PM-Bus-Standard. Emtron

Im klassischen Netzteildesign sind interne Regelschleifen und Überwachungsfunktionen aus Bauelementen wie Analogkomparatoren, Thermistoren, Verstärkern und so weiter aufgebaut. Bei höherwertigen Stromversorgungen werden auf gleiche Weise auch Möglichkeiten zur Fernauslesung oder -beeinflussung realisiert. Die vorliegenden Parameter wie Stromstärke, Spannung oder Temperatur werden in ihrer natürlichen Form, nämlich analog und damit ohne Quantisierungs- oder Rundungsfehler, weiterverarbeitet. Ein kleiner, in früheren Zeiten meist jedoch zu vernachlässigender Nachteil, ist die naturgemäße relativ langsame Verarbeitung der Messwerte.

Mehr schon fällt ins Gewicht, dass die verwendeten Bauteile altern und zumeist temperaturabhängig arbeiten. Diese Effekte müssen schon beim Systemdesign vorausschauend berücksichtigt werden. Andernfalls verändert sich das Netzteilverhalten unter verschiedenen Lastbedingungen oder über die Gerätelebensdauer. Auch ist es unmöglich, dem Netzteil für spezielle Anwendungsfälle neue Funktionen oder ein anderes Verhalten hinzuzufügen. Nach Abschluss des Designs ist ohne erheblichen Aufwand und Kosten keine Modifikation mehr zu realisieren.

Bild 1 veranschaulicht den modernen Schaltungsansatz. Das digitale Design sieht wesentlich aufgeräumter aus und verwendet erheblich weniger Bauteile. Unter anderem beinhaltet das hier farblich hervorgehobene Teilsystem einen mehrkanaligen A/D-Wandler für die Aufbereitung der verschiedenen Betriebsparameter, eine Logikeinheit zur Verarbeitung der Regelalgorithmen, Überwachungsschaltkreise, digitale Kommunikationsschnittstellen und eine PFC-Stufe. Außerdem findet sich hier ein nichtflüchtiger Speicher für statische und dynamische Informationen sowie die Steuerparameter.

All diese Funktionsblöcke finden je nach Komplexität Platz auf einem oder wenigen hochintegrierten ICs, in der analogen Welt sind dafür eine viel größere Anzahl Bauelemente erforderlich. Konstruktions-, Beschaffungs- und Fertigungsaufwand sind deutlich höher und durch die Mehrzahl an Teilen verschlechtert sich zwangsläufig die MTBF, die, wenn auch umstritten, immer noch als ein wesentlicher Maßstab für die Zuverlässigkeitsbewertung herangezogen wird.

Vorteile der digitalen Steuerung

Die rasanten Entwicklungen in der Halbleitertechnologie ermöglichten die Entwicklung hochleistungsfähiger Signalprozessoren zu äußerst attraktiven Preisen. Damit konnten sich diese Zahlenakrobaten neue Einsatzfelder abseits des „number crunching“ erobern, für die sie eigentlich entworfen wurden. Die Massenfertigung machte sie preislich so attraktiv, dass sie in der Gesamtkostenbetrachtung tatsächlich mit den diskret aufgebauten Steuerkreisen mithalten können.

Die digitale Signalverarbeitung bietet eine ganze Reihe von Möglichkeiten. Nicht nur können die Auswertungen der Istparameter und Berechnungen der Stellgrößen wesentlich schneller erfolgen als in der analogen Welt, diese Werte können direkt über digitale Schnittstellen an die heute weit verbreiteten Kommunikationsnetze übergeben werden. So ist zum Beispiel die zentrale Kontrolle aller Stromversorgungen einer Serverfarm heute gar kein Problem, ihre Betriebsdaten kommen wie alle anderen Informationen über die Standardbusse zur Zentrale. So ist zum Beispiel bei Fehlfunktionen das Statuswort die erste Anlaufstelle. Sind welche gemeldet, liegen in den untergeordneten Spezialregistern Detailinformationen (Bild 2).

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