Programmierbarer Mehrkanal-Leistungsregler sorgt für effektive Gleichstrom-Versorgungsschienen

Autor: Tuomas Hollman, Exar Corporation

Die DC/DC-Leistungswandler-Subsysteme in derzeitigen Anwendungen müssen sowohl Flexibilität bieten als auch eine externe Regelung von vielen ihrer betrieblichen Aspekte gemäß der Programmierung durch den Anwender unterstützen. Außerdem besteht bei Entwicklungen mit mehreren Versorgungsschienen – und das sind heute die meisten – die zunehmende Notwendigkeit eines hochentwickelten Managements der Leistungsumwandlung durch ein komplexes Regler-IC und ein hochentwickeltes Design Tool, das vielerlei Wandler-Kombinationen effektiv unterstützt

Aus diesem Grund wurden programmierbare Regler für die Leistungsumwandlung immer beliebter, weil sie dem Systementwicklungsingenieur die erforderlichen Features und Funktionen an die Hand geben können, verbunden mit einer einfachen Implementierung. [Man beachte, dass sich dieser "programmierbare Regler" stark von der speicherprogrammierbaren Steuerung (PLC, Programmable Logic Controller) unterscheidet, die ebenfalls oft auch als programmierbarer Regler bezeichnet wird und zur Steuerung industrieller Prozesse dient.]

 

Dieser Regler muss drei oder vier vollständige, unabhängige pulsbreitenmodulierte (PWM) Regler implementieren, einschließlich eines Leichtlastbetriebs zur Senkung der Verlustleistung und Steigerung des Wirkungsgrads bei geringen Ausgangsströmen. Er muss zudem eine Reihe von kritischen Sicherheits-Features bereitstellen, zum Beispiel Überstromschutz (OCP), Überspannungsschutz (OVP) und Übertemperaturschutz (OTP) zuzüglich einer Eingangs-Unterspannungssperre (UVLO). Zusätzlich wird eine Anzahl entscheidender Features zur Überwachung der "Gesundheit" gebraucht, beispielsweise Warnstufen-Hinweise für die Sicherheitsfunktionen und eine Power-Good-Anzeige (PGOOD) in Verbindung mit voller Überwachung der Systemspannungen und -ströme. Diese Funktionen sind sämtlich programmierbar und/oder über einen SMBus ablesbar, und viele sind zur Überwachung der Hardware durch den Systemregler an den GPIO-Ports steuerbar. Selbstverständlich muss all dies aus Gründen der Platzeffizienz in einem kleinen Gehäuse untergebracht sein.

 

Benötigte Funktionsgruppen

Die Liste wünschenswerter Eigenschaften des Reglers ist umfangreich und macht deutlich, was der Entwicklungsingenieur von dem ausgewählten Controller erwartet. Das digitale, PWM-/PFM-programmierbare Vierkanal-Power-Management-System Exar XRP7724 (Abbildung 1) erfüllt diese zahlreichen Ansprüche. Dazu zählen:

 

  • Unterstützung eines weiten Schaltfrequenzbereichs, mit einer unabhängigen, programmierbaren, von Kanal zu Kanal konstanten Betriebsfrequenz;
  • Jeder Kanal ist für Soft-Start- und Soft-Stop-Ablaufsteuerung konfigurierbar, einschließlich Verzögerung und Rampensteuerung;
  • Geringer Standby-/Leichtlast-Energieverbrauch, mit Ultraschallmodus zur Begrenzung des durch den Induktor hervorgerufenen Geräuschs;
  • Integrierte MOSFET-Treiber, die einen weiten Bereich von eingangsseitigen Gate-Source-Kapazitätswerten (Cgs) ansteuern können;
  • Programmierbare Fünf-Koeffizienten-PID-Regelung, die zusammen mit dem Ausgangskondensator den Entwickler in die Lage versetzt, die Regelschleife auf bestes Einschwingverhalten fein abzustimmen;
  • Ein weiter Eingangs-/Ausgangsspannungsbereich;
  • SMBus-Konformität – alle Vorgänge über eine I2C-Schnittstelle geregelt, was sowohl eine fortschrittliche lokale und/oder Fern-Rekonfiguration erlaubt als auch eine umfassende Leistungsüberwachung sowie Fehlerverarbeitung;
  • Sowie natürlich ein vollständiges Spektrum von Sicherheits- und Fehler-bezogenen Features (wie bereits zuvor besprochen).
Abb. 1: Das vereinfachte Schaltbild des XRP7724, eines programmierbaren Vierkanalreglers, zeigt den Grad an Komplexität sowie die im IC enthaltenen Features.

 

Reglerarchitektur

Das Funktions-Blockdiagramm der Regelschleifen für einen Ausgangskanal, Abbildung 2, zeigt die vier getrennten, parallelen Regelschleifen: Pulsbreitenmodulation (PWM), Pulsfrequenzmodulation (PFM), Ultraschall sowie Überabtastung (OVS, Oversampling). Jede dieser Schleifen wird durch das analoge Frontend (AFE) links im Diagramm gespeist. Das AFE besteht aus einer Skalierfunktion für die Eingangsspannung, einem DAC mit programmierbarer Spannungsreferenz, Fehlerverstärker und Fensterkomparator.

Abb. 2: Der Regelkreis des XRP7724 zeigt die vier getrennten, parallelen Regelschleifen innerhalb des Bausteins.

Um Informationen über den Strompegel zur Verfügung zu stellen, wird der Strom des Ausgangsinduktors durch einen Differenzverstärker gemessen, der den Spannungsabfall über dem Einschaltwiderstand (RDSON) des unteren MOSFETs während dessen "On"-Zeit abliest. Diese Spannung wird in durch den Strom-ADC-Block in einen Digitalwert umgewandelt, und der sich ergebende Stromwert dient zur Bestimmung, wann Übergänge vom PWM- zum PFM-Modus stattfinden sollten, siehe Kasten unten "Regelschleifen im PWM- und PFM-Betrieb".

 

Einschwingverhalten

Bei der Stromversorgung von CPU und digitalen Leistungsmodulen ist das Einschwingverhalten von größter Wichtigkeit, Abbildung 3 und Abbildung 4. Genau hier ist der Oversampling-Betrieb am effektivsten; deshalb wurde der XRP7724 um dieses Feature ergänzt, um die Einschwingvorgänge zu verbessern. Im OVS-Betrieb wird die Ausgangsspannung vier Mal pro Schaltzyklus abgefragt und durch den Fensterkomparator des AFE überwacht. Verlässt die Spannung die Grenzen der eingestellten Höchst- oder Tiefstwerte, kann die OVS-Steuerelektronik sofort die Pulsbreite der High-Side- oder Low-Side-Gate-Treiber modifizieren, um entsprechend zu reagieren, ohne dass auf den Beginn des nächsten Zyklus gewartet werden muss. OVS ist durch zwei Ansprecharten gekennzeichnet, abhängig davon, ob die Obergrenze während eines Entladungs-Spitzenstroms (Überspannung) oder ob die Untergrenze während eines Lade-Spitzenstroms (Unterspannung) überschritten wird.

Abb. 3: Der XRP7724 spricht ausgezeichnet auf einen Last-Spitzenstrom von 0 A bis 6 A an, wenn er bei 300 kHz ausschließlich im PWM-Betrieb arbeitet.
Abb. 4: Das Tastverhältnis 10 bis 6 A bei 300 kHz, wobei OVS auf ±5,5% eingestellt ist, führt zu einer weiteren Verbesserung.

 

PowerArchitect 5.0

Über ein mit vielen Funktionen und Features ausgestattetes Hochleistungs-IC hinaus ist eine nutzerfreundliche GUI (graphische Anwenderschnittstelle) von entscheidender Bedeutung, um das Fein-Tuning der Regelschleifen-Parameter auf optimale Performance zu vereinfachen. Zum Erreichen einer maximalen Flexibilität und um dem Systementwickler die volle Kontrolle über die Implementierung und Performance zu vermitteln, bietet Exar PowerArchitectTM 5.0 an, ein raffiniertes Design-Tool, das sowohl die Auswahl der Komponenten für die Antriebssysteme, einschließlich Ausgangs-Induktoren und Kondensatoren, als auch das Design der Regelschleife beschleunigt. Das Tool erzeugt auf Grundlage der Auswahl durch den User ein Bode-Diagramm für die fünf programmierbaren Koeffizienten der PID-Regelung im XRP7724, und es stellt die Schaltfrequenz, Ausgangsspannung und Ausgangsstrom zur Wahl. Der Anwender kann diese Werte entweder akzeptieren oder die PID-Parameter so modifizieren, dass sie den Ansprüchen des Designs genügen.

 

Der GUI-Bildschirm, Abbildung 5, zeigt die gewählte Schaltfrequenz, Induktivität und Kapazität des Ausgangsfilters, PID-Koeffizienten, Bode-Diagramm und Phasenreserve, zusammen mit der Regelschleifen-Bandbreite von Kanal 1. Sämtliche betreffenden Parameter sind vom Anwender kontrollierbar, sie können feinabgestimmt oder komplett verändert werden, um sofort einfache "What-if?-"Szenarien zu untersuchen.

Abb. 5 PA5.0 Der GUI-Bildschirm von Exar's PowerArchitectTM 5.0, einem raffinierten Design-Tool, das alle gewählten und berechneten Parameter anzeigt und es dem User ermöglicht, das Design und das Verhalten fein so abzugleichen, dass ein Kompromiss zwischen den zahlreichen Anforderungen gefunden wird.

 

Regelschleifen im PWM- und PFM-Betrieb

Die PWM-Regelschleife arbeitet mit Spannungsregelung und optionalem Vorwärtsschub der Eingangsspannung. Zum Erreichen eines vollständigen Ausgangsspannungsbereichs für beste effektive Auflösung findet ein Eingangs-Skalierer Verwendung, der die Rückkopplungsspannung dieser höheren Ausgangsspannungen reduziert und sie dadurch auf den Regelbereich der Referenzspannung absenkt. Die Fehlerspannung wird durch den ADC des AFE in einen digitalen Fehler-Begriff umgewandelt. Das Fehlerregister besitzt eine Feineinstellungs-Funktion, die zur Verbesserung der Sollwert-Auflösung der Ausgangsspannung um einen Faktor fünf eingesetzt werden kann. Auf diese Weise entsteht eine niedere, mittlere und hohe Auflösung von 2,5 mV, 5 mV beziehungsweise 10 mV. Der Proportional-Integral-Derivativ-(PID-) Reglerausgang verwaltet mithilfe der Spannung des Fehlerwiderstands die Schleifendynamik.

 

Der Regler besitzt eine PFM-Schleife, die zur Verbesserung des Wirkungsgrads bei leichten Lasten eingeschaltet werden kann. Eine Verringerung der Schaltfrequenz sowie ein Betrieb im lückenden DCM-Betrieb minimiert sowohl die Schalt- als auch die Leitungsverluste. Die PFM-Schleife arbeitet in Verbindung mit der PWM-Schleife und kommt zum Tragen, wenn der Ausgangsstrom über eine programmierte Zahl von Zyklen hinweg unter einen vom Anwender programmierten Schwellenpegel abfällt. Die PWM-Schleife wird im PFM-Betrieb abgeschaltet; stattdessen wird die skalierte Ausgangsspannung mithilfe eines Fenster-Komparators mit der Referenzspannung verglichen.

 

Im PFM-Betrieb, wenn der High-Side-FET eingeschaltet ist, läuft der Induktorstrom hoch; er lädt die Ausgangskondensatoren und erhöht deren Spannung. Nach Abschluss der High-Side- und Low-Side-Einschaltzeiten wird der untere FET abgeschaltet, um jeden Rückwärts-Stromfluss durch den Induktor zu unterbinden. Der Laststrom entlädt anschließend die Ausgangskondensatoren, bis die Ausgangsspannung unter die Referenzspannung abfällt und der Komparator aktiviert wird, was die PWM-Funktion zum Start des nächsten Schaltzyklus triggert. Die Zeit vom Ende des Schaltzyklus bis zum nächsten Trigger wird als Totzone bezeichnet. Diese PFM-Technik stellt sicher, dass die Restwelligkeit der Ausgangsspannung von PWM zu PFM nicht ansteigt.

 

Das Schalt-Tastverhältnis ist gleich wie beim PWM-Betrieb, wenn der Übergang in den PFM-Betrieb stattfindet. Das hat zur Folge, dass der Ripplestrom des Induktors auf demselben Niveau liegt, wie er im PWM-Modus war. Die PFM-Einschaltdauer wird auf Basis des Verhältnisses Ausgangsspannung zu Eingangsspannung berechnet. Sobald die Ausgangsspannung Werte außerhalb der High-/Low-Fenster erreicht, verlässt der Regler den PFM-Betrieb und reaktiviert die PWM-Schleife.

 

Zwar leistet der PFM-Modus eine hervorragende Arbeit bei der Verbesserung des Wirkungsgrads bei leichten Lasten, doch kann die Totbereichszeit bei sehr geringen Lasten bis zu einem Punkt ansteigen, zu dem sich die Schaltfrequenz innerhalb des hörbaren Bereichs befindet. Wenn das passiert, können einige Komponenten – zum Beispiel der Ausgangsinduktor sowie Keramikkondensatoren – hörbare Geräusche abgeben, die für die Anwender lästig sind. Die Amplitude des Geräuschs hängt überwiegend vom Leiterplatten-Design sowie von den Fertigungs- und Aufbau-Details der Komponenten ab. Eine einwandfreie Auswahl der Komponenten kann den Ton auf sehr niedrige Pegel reduzieren. Generell gilt: Der Ultraschall-Modus wird nur dann verwendet, wenn es unbedingt erforderlich ist, weil er den Wirkungsgrad bei sehr geringen Lasten verringert.

 


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