Stromversorgungslösungen für platzkritische Anwendungen
Anforderungen an die Leistungsdichte und der verstärkte Fokus auf Schutzfunktionen machen digitale Leistungsmodule zu einer großartigen Option für raumbeschränkte Anwendungen
Leistungsstarke Rechner, Speicher, Netzwerkgeräte, industrielle und automatisierte Messtechnik bewegen sich aufgrund von Platzbeschränkungen und Anforderungen an höhere Ströme hin zu digitalen Leistungsmodulen. Die von benutzerdefinierten ASICs, FPGAs, DSPs und Speicher benötigten Stromstärken steigen aufgrund der in diesen Anwendungen erforderlichen erhöhten Funktionalität weiter an. Entwickler erwarten auch mehr Schutzfunktionen von ihrem Stromversorgungsnetz, um ein robustes Systemdesign zu gewährleisten. In diesem Artikel lesen Sie über die Vorteile, von denen Sie profitieren können, wenn Sie ein digitales Leistungsmodul in Ihrem nächsten Design verwenden.
Leistungsmodule sind zwar nicht neu in der Branche, aber ihre Verwendung wird immer weiter verbreitet, da Systeme Volumen und Platzbedarf reduzieren sollen. Dadurch verringert sich der Platinenplatz für die Leistungsschaltung, da bei den Systemen eine größere Integration angestrebt wird. Abbildung 1 zeigt eine Veranschaulichung des Übergangs von der diskreten Leistungsversorgung zur Implementierung eines Leistungsmoduls.
Abbildung 1. Von der diskreten Stromversorgung bis zur Implementierung eines Leistungsmoduls.
Einige Anwendungsbereiche von Leistungsmodulen umfassen Schaltungen mit hoher Komplexität, strenge Platzbeschränkungen und Hochstromausführungen, bei denen die Leistungsdichte von größter Bedeutung ist. Durch die Integration der verschiedenen Bauelemente eines Stromversorgungsdesigns in ein einziges kompaktes Produkt kann eine einfache, benutzerfreundliche Lösung in solchen Anwendungen sehr attraktiv und brauchbar sein. Neben einer kompakten Bauweise gibt es eine Verschiebung hin zu PMBus-fähigen Produkten, bei denen Ausgangsspannung, Schaltfrequenz und Schleifenkompensationsparameter einfach über die GUI geändert werden können.
Darüber hinaus sollte das Produkt auch die verschiedenen Schutzfunktionen enthalten, die es selbst sowie die nachgeschaltete Schaltung schützen. Zu den Schutzfunktionen gehören Überspannungs- und Unterspannungsschutz, positiver und negativer Überstromschutz und Übertemperaturschutz. Alle diese Elemente sollten auch leicht zugänglich sein, um vom Benutzer auf der GUI über PMBus geändert zu werden.
Das RAA210130 ist als voll PMBus-fähiges DC/DC-Abwärtsleistungsmodul (4,5V-15 V) beispielsweise in der Lage, bis zu 30 A Strom aus einem kompakten, thermisch verbesserten BGA-Gehäuse (10 mmx13 mmx7,8 mm) zu liefern. Das Modul besteht aus einem volldigitalen Controller, einer Smart-Power-Stage (SPS) mit sowohl oberem als auch unterem MOSFET, internen Netzteilen zur Versorgung des Controllers und der SPS sowie einer Filterinduktivität, wodurch dieses Modul zu einer robusten und eigenständigen Stromversorgung wird.
Das Modul implementiert das proprietäre digitale synthetische Strommodulationsschema von Renesas, um ein hervorragendes Einschwingverhalten, eine einfache Abstimmung und Effizienz über den gesamten Lastbereich zu erreichen. Dadurch wird eine geringere Variation der Gesamtausgangsspannung bei geringerer Ausgangskapazität als bei herkömmlichen PWM-Controllern erreicht. Mit minimalen externen Bauelementen, einfacher Konfiguration, robustem Fehlermanagement und hochgenauer Regelungsfähigkeit war die Implementierung eines Hochleistungsreglers noch nie einfacher.
Eine Standard-PMBus-Schnittstelle mit PMBus v1.3-Kompatibilität erleichtert die Gerätekonfiguration, die Adress-Sequenzierung und das Fehlermanagement. Außerdem bietet sie eine vollständige Echtzeit-Telemetrie und PoL-Überwachung sowie detaillierte Fehlermeldungen. Alle diese Funktionen sind bequem über das PowerNavigator™-Software-Tool zugänglich. Ein vollständig anpassbares, zyklusweises Strom-, Spannungs- und Temperaturschutzsystem ist in der Lage, die Leistung als Reaktion auf Systemfehler abzuschalten oder neu zu starten.
Abbildung 2 zeigt den Vergleich zwischen (a) diskreter Lösung und (b) Implementierung eines Leistungsmoduls.
(a)
(b)
Abbildung 2. Vergleich zwischen (a) diskreter Lösung und (b) Implementierung eines Leistungsmoduls
1. Leistung
Das RAA210130 bietet einen hervorragenden Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich. Abbildung 3 zeigt den Wirkungsgrad gegenüber Laststrom bei VIN = 12 V mit (a) interner und (b) externer 5 V- und 3,3 V-Versorgung, wobei der Spitzenwirkungsgrad 95,5 % beträgt. Das RAA210130 bietet neben einer hervorragenden Effizienz auch ein beeindruckendes Einschwingverhalten. Abbildung 4 zeigt das hervorragende Einschwingverhalten bei VIN=12 V, VOUT = 0,8 V, bei einer Stufenlast von 30 A, wobei ein VOUT-Unter-/Überschwingen von weniger als ±2,5 % erreicht werden kann. Abbildung 5 zeigt das Einschwingverhalten bei VIN=12 V, VOUT = 3,3 V, mit einer Stufenlast von 15 A, wobei ein VOUT-Unter-/Überschwingen von weniger als ±1 % erreicht werden kann.
(a)
(b)
Abbildung 3. Wirkungsgrad vs. Laststrom bei VIN = 12 V, mit (a) interner und (b) externer 5 V- und 3,3 V-Versorgung
Abbildung 4. Einschwingverhalten, VIN=12 V, VOUT = 0,8 V, 0-30-0 A, 5 A/us Stufenlast
Abbildung 5. Einschwingverhalten, VIN=12 V, VOUT = 3,3 V, 0-15-0 A, 5 A/us Stufenlast
2. Schutzfunktionen
Das RAA210130 umfasst ein umfangreiches Fehlermanagementsystem, das in leistungsstarke Host-Controller integriert ist und eine beispiellose Remote-Systemverwaltung und Debugging-Funktion unterstützt. Wenn eine Fehlerbedingung auftritt, deaktiviert die Steuerung den PG-Pin und alarmiert den Host unter Verwendung des nPMALERT-Pins. Der Totalausfallschutz (CFP) kann optional konfiguriert werden, um bei ausgewählten Fehlern zusätzliche Schutzmaßnahmen auf Systemebene umzusetzen. Das RAA210130 bietet auch eine Black Box, einen Rekorder mit umfangreicher Fehlerprotokollierung zur Unterstützung von Debugging-Funktionen auf Systemebene. Die Fehlerkontrollen sind unabhängig voneinander aktiviert und die zugehörigen Fehlerreaktionen können vom Benutzer konfiguriert werden.
2.1 Power-Good-Signal
Der PG-Pin ist ein Open-Drain-Power-Good-Ausgang, der anzeigt, dass der Abschluss der Sanftanlaufsequenz und die Ausgangsspannung innerhalb des erwarteten Regelbereichs liegen. Wenn ein Fehler auftritt oder wenn die Schiene deaktiviert wird, geht der PG-Pin auf Low.
2.2 Überspannungs-/Unterspannungsschutz
Die Ausgangsspannung wird an den Lasterfassungsstellen differenziell zur Regelung gemessen und die gleiche Messung wird für OVP und UVP verwendet. Abbildung 6 zeigt ein vereinfachtes OVP/UVP-Blockdiagramm. Die Ausgangsspannungsvergleiche erfolgen im digitalen Bereich.
Abbildung 6. OV/UV-Komparatoren
Das Gerät spricht auf einen Über- oder Unterspannungszustand am Ausgang an, indem es den Ausgang deaktiviert, einen Fehler deklariert, den PMALERT-Pin einstellt, den PG-Pin auf low bewegt und dann den LFET pulsiert, bis die Ausgangsspannung unter den Schwellenwert fällt. Der Ausgang startet erst dann neu, wenn der EN-Pin getaktet wird (es sei denn, das Gerät ist für einen erneuten Versuch konfiguriert).
Das RAA210130 verfügt auch über einen Open-Pin-Erfassungsschutz, um eine geöffnete Erfassungsschaltung der Ausgangsspannung zu erkennen. Wenn dieser Zustand erkannt wird, wird der Modulbetrieb unterbrochen.
2.3 Ausgangsüberstromschutz
Das RAA210130 bietet ein umfassendes Überstromschutzsystem, das den Gesamtausgangsstrom, den Spitzenphasenstrom und den Talphasenstrom überwacht. Das System ermöglicht es dem Benutzer, die Sättigung der Induktivität zu beseitigen und den Gesamtausgangsstrom zu begrenzen. Es werden Abschalt- und Wiederholungsreaktionstypen für OC-Fehler unterstützt. Die Reaktionskonfiguration gilt für alle Ausgangsstrom-Fehlermechanismen wie Phasenspitzenüberstrom und Gesamtausgangsüberstrom.
Abbildung 7 zeigt das Blockdiagramm des Schutzsystems für den Ausgangsüberstrom.
Abbildung 7. OCP-Funktionsdiagramm.
Das Modul wird durch ein impulsweises System vor Über- und Unterstrom geschützt, das sofort auf ein PWM-Signal einwirkt, wenn ein erkannter Induktorstrom seinen Schwellenwert erreicht. Schwellenwerte für Überstrom und Unterstrom (negativer Induktorstrom) ermöglichen es dem Benutzer, den Phasenstrom genau zu begrenzen, um eine Sättigung der Induktivität zu verhindern. Das aktuelle Begrenzungsverhalten kann konfiguriert werden, um das Gerät entweder nach einer benutzerdefinierten Anzahl von aufeinanderfolgenden Ereignissen abzuschalten oder unbegrenzt fortzufahren. Wenn der Wandler so konfiguriert ist, dass er auf unbestimmte Zeit fortgesetzt wird, verhält er sich ähnlich wie eine Stromquelle. Abbildung 8 und Abbildung 9 zeigen die OC- und UC-Strombegrenzung, wenn das Gerät dazu konfiguriert ist, nach einer begrenzten Anzahl aufeinanderfolgender Ereignisse abzuschalten.
Abbildung 8. Spitzen-OC-Betrieb.
Abbildung 9. Spitzen-UC-Betrieb.
Das RAA210130 unterstützt auch Gesamtausgangsstromgrenzen, die eine vom Benutzer einstellbare Ansprechverzögerung aufweisen. Die beiden Summenstromgrenzen (schnell und langsam) ermöglichen es dem Benutzer, einen hohen maximalen Ausgangsstrom für einen kürzeren Zeitraum und einen niedrigeren Ausgangsstrom für einen längeren Zeitraum zuzulassen. Auch die Ansprechverzögerung für die Begrenzungsmechanismen ist einstellbar. Diese Mechanismen schränken den maximalen Ausgangsstrom erst dann ein, wenn der Strom eine Schwelle für die Ansprechverzögerungszeit überschritten hat. Abbildung 10 zeigt das Schutzsystem für den Gesamtausgangsüberstrom.
Abbildung 10. Gesamtausgangsstromschutz.
2.4 Wärmeschutz und nVRHOT
Das RAA210130 unterstützt ein umfassendes System für thermische Benachrichtigung und Schutz. Es überwacht die SPS-Temperatur und unterstützt zusätzlich zur Übertemperaturwarnung Über- und Untertemperaturfehler. Die Reglertemperatur wird überwacht, um die Telemetrie und die thermische Abschaltung zu unterstützen. Die Abschaltung erfolgt bei ca. +130 °C. Der nVRHOT-Pin wird auf Systemebene verwendet, um das mit Strom versorgte Gerät zu informieren, dass es seinen Stromverbrauch reduzieren muss. nVRHOT ist ein Open-Drain-Ausgang; ein externer Pull-up-Widerstand ist erforderlich. Dieses Signal ist erst wirksam, nachdem der Controller aktiviert wurde. nVRHOT geht auf low, wenn die erfasste Temperatur den PMBus-OT_WARN-Schwellenwert erreicht, wodurch das angetriebene Gerät vor dem thermischen Status des Controllers vorgewarnt wird.
Abbildung 11 zeigt das Verhalten von nVRHOT und eine Übertemperatur-Fehlerabschaltung.
Abbildung 11. nVRHOT und Übertemperaturabschaltung.
2.5 Totalausfallschutz
Der CFP-Pin unterstützt die CFP-Funktion (Totalausfallschutz). Der Pin kann so konfiguriert werden, dass er im Falle der Erkennung eines katastrophalen Fehlers aktiviert wird. Die Funktion wird in der Regel verwendet, um die Eingangsversorgung sofort zu deaktivieren, um das gesamte System zu schützen. Die CFP-Funktion kann dazu konfiguriert sein, auf Ausgangsüberspannungs-, Eingangsüberspannungs- bzw. Ausgangsüberstromfehler zu reagieren.
2.6 Black Box-Rekorder
Black Box ist ein leistungsstarkes Diagnose-Tool, das alle Telemetrie- und Statusinformationen erfasst, wenn ein Fehler auftritt. Das RAA210130 überwacht kontinuierlich Schieneninformationen zusammen mit der Zeitdauer, für welche die Schiene reguliert wurde, und das Tool erfasst diese Daten, wenn ein Fehler registriert wird. Das Tool meldet das erste Fehlerbit, das aufgetreten ist, um die Abschaltung zu verursachen. Diese Diagnosedaten werden im RAM gespeichert und die Black Box kann so konfiguriert werden, dass sie zusätzlich in NVM zum Abrufen schreibt, wenn das System die Eingangsleistung verliert und ein Fehler auftritt. Der RAM-Datensatz wird immer dann aktualisiert, wenn ein Fehler auftritt. Black Box kann bis zu 10 Mal in NVM schreiben und bietet die Möglichkeit, das Schreiben von NVM auf einmal pro Leistungszyklus zu beschränken, um zu vermeiden, dass der verfügbare NVM-Speicherplatz versehentlich gefüllt wird.
3. Fazit
Es gibt einen wachsenden Trend in Richtung eines benutzerfreundlichen, vollständig PMBus-fähigen DC/DC-Abwärtswandlers mit kompakter Stellfläche. Während er ein hervorragendes Einschwingverhalten erreichen und einen guten Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich beibehalten kann, vereinfacht die Kompatibilität mit der Standard-PMBus-Schnittstelle die Gerätekonfiguration, die Adresssequenzierung, das Fehlermanagement und die Fehlermeldung, die vollständige Telemetrie und die PoL-Überwachung. Im Hinblick auf den Schutz ist es notwendig, dass das Produkt ein vollständig anpassbares zyklusweises Strom-, Spannungs- und Temperaturschutzsystem bietet. Das RAA210130 verkörpert alle oben genannten Funktionen für Ihre Anwendungsbedürfnisse.
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