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Technik Mikrocontroller

Der Regelkreis von Schaltreglerchips basiert auf einer analog und reaktiv arbeitenden Pulsbreitenmodulation, wobei die weni-gen Ausnahmen diese Regel durch ihre bescheidenen Fähigkeiten zur Mitkoppelung bestätigen. Demnach können handelsübliche PWM-Controller eine Stromversorgung bei stark veränderlicher Last und/oder Eingangsspannung niemals optimal ausregeln und die schiere Zahl der am Weltmarkt verfügbaren Bausteine darf so auch als Ergebnis einer Suche der Chiphersteller nach dem besten Kompromiss für individuelle Einsatzfälle bezeichnet werden: Im Gegenzug muss der Entwickler seine Stecknadel in einem stetig wachsenden Heuhaufen suchen, obwohl auch ihm bekannt sein dürft e, dass digitale Regelkreise den Umrichtprozess ebenso wie den Lastprozess seiner geplanten Stromversorgung besser formen

könnten. Die Vorteile einer entsprechenden Vorgehensweise lie-gen auf der Hand und heißen unter anderem: Bessere Transien-tenantworten, Höhere Zuverlässigkeit sowie Entlastung bei der Bill of Material; dazu kommt die Möglichkeit, On the Fly vom Ein- zum Mehrphasenbetrieb zu wechseln sowie die Option, vorprodu-zierte Stromversorgungen per Soft ware kundenspezifi sch anzu-passen.

Dieser Beitrag diskutiert die Vorteile von digitalen Regelschlei-fen für Stromversorgungen, wobei nicht verschwiegen wird, dass ein Paradigmenwechsel auch Nachteile mit sich bringt.

Digitale Regelkreise mit Mikrocontrollern sind etwa in der Auto-matisierung kein Neuland. Da Stromversorgungen MCU-Chips jedoch fast ausschließlich zur Kommunikation, Fernüberwachung

Das Zünglein an der WaageDigitale Regelkreise zur Stromversorgung nutzen

Mit auf die Stromversorgung spezialisierten Digitalsignalcontrollern scheint einen Paradigmenwechsel bei Netzteil- und Schaltreglerarchitekturen einzutreten. Der Beitrag erläutet die Funktionsweise der unterlegten Digitalregelung und analysiert die technischen und kommerziellen Vorteile für den Entscheidertisch von Stromver-sorgern sowie Unternehmen, die ihr Powermanagement selbst beherrschen wollen.

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und Fernsteuerung sowie für deterministische Funktionen wie Power-Sequencing, Soft start oder die Topologiesteuerung nutzen, darf unterstellt werden, dass sie als tragfähige Technologiebasis zur zusätzlichen Übernahme des Regelkreises ausscheiden. Warum soll ich die Entwicklung angesichts der Masse verfügbarer, günsti-ger, dedizierter Analog-PWM-Controller mit einem Paradigmen-wechsel belasten, fragt sich denn auch der Entscheiderkreis vieler Unternehmen. Die Antwort ist unter dem Begriff Stecknadelsuche im Heuhaufen bereits andiskutiert und lässt sich ergänzen durch eine neuerdings verfügbare Technologiebasis namens Digital-signalcontroller. DSC-Chips tragen neben einem mit DSP-Funkti-onen aufgepeppten Mikrokern auf unterschiedliche Anwendungen bezogene Peripheriefunktionen. Zielen diese auf Schaltnetzteile oder Schaltregler, dann können DSC nicht nur die erwähnten Steuerungsfunktionen übernehmen, darüber hinaus gilt:

DSC stimulieren digitale Regelkreise DSC stimulieren nicht nur digitale Regelkreise, denn diese stimu-lieren wiederum neuartige Regelfunktionen und Umrichtertopo-logien, die eine Kombination aus Mikrco- und PWM-Controller nur aufwändig oder gar nicht ermöglicht. Um auf veränderte Ein-gangs- oder Lastbedingungen angemessen zu reagieren, lässt sich

beispielsweise während des Betriebs entscheiden, ob die Ausgangs-spannung oder der Ausgangsstrom kontinuierlich oder diskonti-nuierlich geregelt werden soll. Voraussetzung ist allerdings ein Flash-basierter DSC-Chip, dessen Internspeicher gleichzeitig die oft benötigten Freiheitsgrade zur anwendungsbezogenen Konfi gu-ration und Kalibration einer Grundschaltung beinhaltet. Derweil haben DSC-Anbieter wie Microchip ihre meist sehr breite MCU-Werzeugbasis DSC-fi t adaptiert und ergänzt, sodass dem Einstei-ger kostengünstige Tools zur Verfügung stehen, während der MCU-DSC-Umsteiger seine Tools nur ergänzen muss. Das heißt im Klartext, sowohl die Investitionskosten als auch die Marktein-führungszeiten bleiben beim Paradigmenwechsel überschaubar.

Zum Einstieg in die DSC-Technik zeigt die Graphik auf Seite 2 des Beitrags eine digitale Regelschleife, auf Seite3 ist die Block-schaltung eines bei Microchip verfügbaren Stromversorgungs-DSP abgebildet.

Technische Vorteile der DigitalregelungDa DSC-Regelkreise digital arbeiten, entfallen Temperatur- und andere für Analogsysteme typische Drift eff ekte. Dadurch lassen sich zum einen die Toleranzen des Zielsystems enger fassen, zum anderen genügen den enger gefassten Anforderungen kleinere und

Den Kern der Stromversorgung überdenkenDes Pudels Kern besteht bei Schaltnetzteilen und Schaltreglern aus einer analog arbeitenden Pulsbreitenmodulation, doch die Forschung weiß längst, dass eine digitale Regelung technische Vorteile ver-spricht. Digitale Signalcontroller unterlegen der Digitalvariante nun den seither vermissten kommerziellen Sinn. Der Beitrag diskutiert die Sache und stimuliert einen Paradigmenwechsel speziell dann, wenn die oberen und mittleren Komplexitäts- und Leistungsbereiche im Fokus stehen: www.microchip.com (hn)

Auf den Punkt gebracht

„Analogtechnikentwickler müssen in Sachen Programmierung wohl ei-niges nachlernen. Den Übergang erleichtern werden Softwarewerkzeuge, Referenzdesigns und Softwarebibliotheken. Doch letztendlich ist die Aus-wahl des passenden DSC ausschlaggebend für den Erfolg der individu-ellen Entwicklung. Sorgfältige Überlegungen zu den notwendigen DSC-Eigenschaften sind deshalb essentiell: Die höchste Priorität sollte dem Pulsbreitenmodulator des DSC gelten, dieser ist in Kombination mit dem Onboard-AD-Umsetzer für die Aufl ösung und Reaktionszeit des Regel-kreises verantwortlich. Beide Peripheriemodule müssen zur individuellen Aufgabe passen, wobei die Entscheidungskriterien denen bei der Aus-wahl von Analog-PWM-Controllern nahverwandt sind. Indes rücken Ana-logkomparatoren als weitere wichtige Peripheriemodule ins Blickfeld, denn wenn das überwachte Signal nur mit einem festgelegten Grenzwert zu vergleichen ist, würde der Einsatz eines AD-Umsetzers den Kern-durchsatz des DSC unnötig belasten. Somit gilt: Interne Analogkompara-toren sparen externen Aufwand und halten den DSC-Kern und die AD-Peripherie frei für wichtigere Aufgaben, ohne die schnellen Fehler- und Strombegrenzungsfunktionen des DSC zu beeinträchtigen.Die Auswahl des richtigen DSC beeinfl usst natürlich auch die Entwick-lungszeit für den Regelalgorithmus. In der Regel kommt ein PID-Algo-

rithmus zum Tragen, der beim Einsatz von Microchip-DSC indes tiefgreifende Kennt-nisse zur Signalprozessorprogrammierung nicht erfordert. Eine tragfähige Basis bilden unsere Refe-renzdesigns und deren Softwaremodule. Den Freiheitsgrad zur Übernahme beste-hender oder neuer MCU-Funktionen bietet der durchsatzstarke 16-bit-Risc-Kern des Microchip-8/16-bit-MCU-Systems – in die 32-bit-Welt werden wir mit dem Mips-Standard einsteigen. Doch hier wie dort sollten moderne DSC auch Überwachungs-funk-tionen wie Watchdogtimer tragen, die das Gesamtsystem im Fehlerfall zurück-setzen können. Hier gilt: Interne Watchdogs und andere Überwa-chungsfunktionen sparen Externaufwand, verbessern die Systemzu-verlässigkeit und helfen dem digitalen Regelkreis, sich im Fall des Falles zu erholen oder zumindest in einen sicheren Zustand einzu-treten.“

Bryan Kris ist Staff

Architect Architecture &

Applications in der DSC-

Division von Microchip in

Chambers, Arizona.

Die Entwicklung konkret starten

Grundüberlegungen zu Digitalregelkreisen

Die Funktionsblöcke dieses Schaltreglers basieren auf einer DSC-Architektur,

die schnelle arithmetische Kernoperationen kombiniert mit Onchip-PWM-Mo-

dulen und einer auf Analogkomparatoren basierenden Rückkopplung mit

koordinierter Abastung eines AD-Umsetzers.

Reference

On-Chip DSCPeripherals

Error

Controller

PID

Feedback

ADC

PWM Switchcircuitry

OutputFilter

S&H

Vout

➜

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INFO Microchip, Tel. (+49 89) 62 71 44-100; support@microchip.com

VORTEIL Digitale Regelkreise verbessern gegenüber der Analog-variante das Regelverhalten und die Zuverlässigkeit von Stromver-sorgungen und entlasten gleichzeitig die Bill of Material etwa proportional zur Komplexität und/oder Leistung des geplanten Systems.

damit kostengünstigere Transformatoren oder Spulen. Soll sich die zu entwickelnde Schaltung während des Betriebs an wechselnde Umgebungsbedingungen anpassen, lassen sich DSC-Parameter On the Fly umprogrammieren – wenn überhaupt, ist dies bei Ana-logschaltungen nur schwer realisierbar.

Darüber hinaus kann ein einziger DSC oft mehrere etwa zur Leistungsumrichtung und Leistungsfaktorkorrektur einzupla-nende Analog-PWM-Controller ersetzen und/oder eine benötigte Leistungsabstufung am Ausgang des Netzteils eng koordiniert so-wie genauer als die Analogverwandtschaft ausregeln. Alternativ kann ein entsprechendes DSC-Netzteil mit Leistungsfaktorkorrek-tur-Option mehrere unabhängige Ausgänge einzeln und ebenfalls genauer als die analog arbeitende Alternative betreuen.

Für Mehrphasenbetrieb ausgelegte PWM-Controller fi xieren als Analogvariante die Beziehung zwischen den Phasen oder die Zahl der nutzbaren Ausgänge. Bei der Digitalvariante kann sich die Phasenbeziehung dagegen mit den Lastbedingungen ändern. Zum Beispiel lassen sich einige Phasen bei fallender Last im Interesse der Schaltverluste abschalten und die verbleibenden im Konstant-strombetrieb nutzen. Sollen mehrere Ausgänge geregelt werden, ist die DSC-Schaltung leicht anpassbar und kann unterschiedliche PWM-Phasen als miteinander in Beziehung stehend oder als un-abhängig behandeln. So kann eine DSC-Grundschaltung durch geänderte Parameter im chipinternen Flashspeicher auch kombi-nierte Funktionalitäten bereit stellen.

Kommerzielle Benefi ts der DigitalregelungDSC ermöglichen der Stromversorgung Topologien und Regel-funktionen, die mit analog arbeitenden PWM-Controllern nur in speziellen Ausnahmefällen möglich sind. Doch selbst dann benö-tigt die Analogvariante externe Widerstände und mehrere Pins zum Setzen von Optionen. Dazu nutzt die Digitalvariante Code, was auf kleinere Siliziumfl ächen und Gehäuse mit weniger An-schlüssen hinausläuft und damit nicht nur auf die Bill of Material sondern auch auf den Chippreis selbst durchschlagen kann.

Analogchips lassen nur wenige Optionen zu, während DSC komplett, gegebenenfalls sogar dynamisch rekonfi gurierbar sowie typischerweise nicht auf eine Betriebsart festgelegt sind und sich an veränderliche Bedingungen anpassen lassen. Damit entfällt die für Analogdesigns typische Modulbauweise – ein einziges Grund-modul reicht aus und vereinfacht die Produktionsstraßen für Netz-teile und/oder Schaltregler. Gleichzeitig vereinfachen sich die an-wendungsspezifi sche Modifi kation sowie das Abgleichen und

Kalibrieren der Stromversorgung: Hier ist ein Flashspeicher zu programmieren, dort müssen Abgleichwiderstände justiert oder per Laser abgeglichen werden.

Zusätzliche Vorteile einer DigitalregelungWenn ein Produkt mehrere Ausgangsspannungen beim Anlaufen und Abschalten koordinieren muss, kann ein DSC diese Funktion ohne zusätzliche Kosten bereit stellen. Im Gegensatz dazu kann der Einsatz analoger Bausteine zum Sequencing und Tracking der Stromversorgung sehr teuer kommen. Fehlerzustände erzwingen oft die Koordination mehrerer Ausgangsspannungen: Die nicht be-troff enen Ausgangsspannungen müssen gegebenenfalls reduziert oder abgeschaltet werden. So wird das sogenannte Latch-up ver-hindert – ein Zustand, in dem der betroff ene Lastkreis zum Beispiel die Mutterplatine unerwünscht sperrt. Auch wenn die Stromver-sorgung mit externen Ereignissen oder anderen Geräten synchroni-siert sein soll, ermöglichen DSC dies ohne zusätzliche Kosten. Ent-sprechende analoge PWM-Controller sind jedoch deutlich teurer als Bausteine ohne diese Funktion. Darüber hinaus lassen sich DSC im Interesse zusätzlicher koordinierter Ressourcen verketten.

Zusatzaufgaben sind kostenfreiEin DSC kann Zusatzaufgaben mit den nicht von den digitalen Re-gelkreisen genutzten Prozessorressourcen durchführen: In Tele-kommunikations- und Industrieanwendungen besteht die Strom-versorgung meist aus mehreren unabhängigen Leistungsmodulen, die mehr als die vom System geforderte Gesamtleistung liefern können – fällt ein Modul aus versorgen die restlichen das System weiter. Hier ist es unbedingt nötig, dass jedes Modul seinen Teil zur erforderlichen Gesamtleistung beiträgt. Zur Lastteilung gehört auch die Hot-Swap-Funktion, die es Servicetechnikern ermöglicht, ein fehlerhaft es Modul im laufenden Systembetrieb zu ersetzen. Dazu müssen sich die Module selbst defi niert ab- und anschalten und dürfen nicht mit dem Betrieb der anderen Module interferie-ren. Ein DSC kann sowohl die Lastteilung, als auch die Hot Swap-Funktion ohne Zusatzbausteine übernehmen, dedizierte Analog-chips sind dagegen verhältnismäßig teuer.

Sollte ein System zur Kommunikation, Fernsteuerung oder für deterministische Funktionen einen Mikrocontroller beinhalten, kann der DSC dessen Aufgaben samt Fehlerprotokollierung zusätz-lich übernehmen und auch komplexe Werte wie Leistung oder Wir-kungsgrad messen und diese Informationen beim Anpassen der Ansprechempfi ndlichkeit an sich ändernde Lastbedingungen be-rücksichtigen. Da sich bei digitalen Regelkreisen alle Einstellungen in der Soft ware vornehmen lassen, wird die Produktentwicklung vereinfacht. Und auch die Möglichkeit, Soft ware für Boardtest zu la-den oder mehrere kundenspezifi sche Produkte basierend auf einem Basismodul zu entwickeln, wird die Produktentwicklungskosten weiter senken. (Bryan Kris) ■

Digitale Signalcontroller wie der dsPIC30F1010/202x von Microchip

ermöglichen digitale Regelschleifen und kombinieren einen

16-bit-Risc-Kern mit Signalprozessorfunktionen sowie eine hier auf

die Stromversorgungen zugeschnittenen On-Board-Peripherie.

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