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Vier zentrale Fragen für ein optimales Design von digital gesteuerten Netzteilen : Ausgabe 06/2017, 05.04.2017

Keine Angst vor Digitalsteuerungen

Um den Käufern die notwendige Sicherheit im Umgang mit dem Thema Digitalsteuerungen von Netzteilen zu geben, liefert dieser Artikel vier zentrale Fragen, die Designentwickler den Netzteil- herstellern stellen sollten, bevor sie sich für ein Digitalnetzteil entscheiden.

Bilder: TDK

Das Thema Digitalsteuerungen von Netz­teilen löst bei vielen Herstellern, die Netzteile für ihre Applikation zukaufen, ein Gefühl der Unsicherheit aus. Denn anders als bei traditionellen, analog aufgebauten Topologien, lässt sich das Design digital gesteuerter Netzteile von einer schematischen Betrachtung nicht mehr komplett erfassen. Dadurch fehlt den Entwicklern der Komfort, das komplette Design auf einen Blick zu überschauen und auch herkömmliche Schaltungssimulationen funktionieren nicht mehr ohne weiteres.

Digital gesteuerte Netzteile im Leistungsbereich um 1 kW und höher finden immer grössere Akzeptanz, insbesondere beim Einsatz in Rechenzentren. Mit fortschrittlichen Funktionen und herausragenden Wirkungsgraden, die Digitalsteuerungen in Stromversorgungen ermöglichen, findet die neue Technologie aber auch in den unteren Leistungsbereichen zunehmend Anklang.

Dokumentierte Abläufe im Falle einer vorhandenen ISO-9001-Zertifizierung

Während des Designprozesses sollte man auf eine umfassende Dokumentation in ausreichender Detailtiefe achten: zum einen, um eine komplette und gründliche Verifizierung des Designs zu ermöglichen. Zum anderen aber, und das ist noch wichtiger, um sicherzustellen, dass ein anderer Entwickler diesen Designprozess anschliessend nachvollziehbar wieder aufgreifen kann, um diesen z. B. mit neuen oder verbesserten Features weiterzuentwickeln.

Jeder Hersteller mit ISO-9001-Zertifizierung sollte über dokumentierte Abläufe verfügen, die seine kompletten Designprozesse abdecken und es einem Ingenieur erlauben, sie zu auditieren. Der Designprozess sollte auch die Algorithmen der Digitalsteuerung sowie wichtige Randbedingungen dokumentieren, etwa die Frequenzen der A/D-Wandler oder die PWM-Update-Raten und -Laufzeiten in den Berechnungen der Steuerungsschleife.

Diese Detailtiefe sollte genügen, um einem Entwickler die Simulation des Systems zu ermöglichen, z. B. mit Hilfe einer Reihe von Mathematik-, System- oder eines Schaltkreis-Simulations-Tools, das mit Verhaltensmodellierung oder C-Code-Blöcken umgehen kann. Dennoch bleiben vier Fragen offen, die man sich im Rahmen des Lieferantenaudits beantworten lassen sollte.

Beim Audit des Lieferanten bilden vier Fragen die Leitlinie

Frage Nummer 1:

Wie programmiert der Netzteilhersteller seine Steuerung? Z. B. über GUI, höhere Programmiersprachen oder C-Code-Blöcke. Die Tools für Design, Simulation, Build und Test der Steuerung sollte man allesamt inklusive Versionsnummern dokumentieren. Dies ist wichtig, denn Anpassungen in der Tool-Kette können Veränderungen im Compiler-Ergebnis des Codes verursachen, was nicht ohne eine Revalidierung geschehen sollte. Sofern Bibliotheken oder Tools zur Code-Erzeugung von Drittseite zum Einsatz kommen, sollte man auch hier eine entsprechende Dokumentationstiefe erwarten; idealerweise liefert auch der Drittanbieter eine Testdokumentation, die die Qualität seiner Tools und/oder seines Codes belegen. Eine Mischung verschiedener Tools ist durchaus gebräuchlich, etwa ein Task-Scheduler von Drittseite zusammen mit der Verwendung von C-Code für übergeordnete «Housekeeping»-Funktionalität und Assembler-Code für zeitkritische Funktionalität, die direkt auf der Hardware des Digital-Controllers aufsetzt.

Frage Nummer 2:

Welche Designprozesse wurden verwendet? Auch wenn ein Peer-Review bei der Code-Erstellung empfehlenswert ist – von einer Verifizierung des Designs auf diese Weise sollte man nicht ausgehen. Ein Top-Down-Designansatz, beginnend mit der Gesamtarchitektur, sollte die Hauptfunktionsblöcke dokumentieren. Dies erlaubt eine hierarchische Überprüfung des Designs. Jeder der Funktionsblöcke sollte detailliert dokumentiert sein, z. B. mit Zustandsdiagrammen, die die Abläufe für das Setzen und Zurücksetzen von Alarmen und Flags zeigen, sowie die Definitionsbereiche für alle Ein- und Ausgänge; dies macht Falldefinitionen und Verifizierung erheblich einfacher. Flussdiagramme sind ein weiteres hilfreiches Tool, um Prozesse geringer Komplexität darzustellen.

Frage Nummer 3:

Welcher Review-Prozess kommt für die Hardware- und Softwareelemente des Designs zum Einsatz? Die grundlegenden Projektphasen sind für die Software- und Hardwareelemente eines Designs identisch:

  • Erfassung der Anforderungen
  • Design
  • Designüberprüfung
  • Designvalidierung

Man sollte erwarten, dass es zum Ende jeder dieser Phasen Reviews oder «Stage Gates» gibt, sowie regelmässige Team- und Peer-Reviews sowohl für die Hardware- als auch für die Softwareelemente des Designs.

Frage Nummer 4:

Welche Test-/Validierungsprozesse kamen zum Einsatz? Wie bei jedem System bestimmt das Komplexitätsniveau den Testansatz. Typischerweise wird jede Softwarefunktion für sich getestet; danach folgt ein Integrationstest, bei dem die verschiedenen Funktionen zusammengebracht werden. Diese Tests umfassen auch die Validierung von Fehlererkennungsroutinen zur Erhöhung der Systemzuverlässigkeit. Dies kann sehr zeitaufwendig sein, wenn Schlüsselfunktionen oder -randbedingungen über DSC/DSP-Hardware realisiert werden und nicht mehr nur per Software.

Validierungstest ist finaler Schritt

Der letzte Schritt besteht im Validierungstest, bei dem man das Komplettsystem sowohl bezüglich Hardware als auch Software testet, um die Konformität des Gesamtdesigns zu bestätigen.

Sobald die Ingenieure befriedigende Antworten auf diese Fragen erhalten, können sie digital gesteuerte Stromversorgungen vertrauensvoll und mit ruhigem Gewissen in ihre Anwendungen eindesignen. Damit werden sie von den fortschrittlichen Funktionen und der hohen Effizienz profitieren, die erst durch die digitale Steuerung möglich werden. 

Infoservice

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Die neue QM-Serie erlaubt durch eine optionale PM-Bus-Schnittstelle auch externe digitale Steuerung und Überwachung


PMBus Interface Demo – Überwachung der Funktionen mit dem PMBus

Firmenprofil

Als einer der führenden Hersteller von Stromversorgungen (AC/DC-Netzteile, DC/DC-Wandler) entwickelt TDK-Lambda Konzepte zu Digitalsteuerungen von Netzteilen. Mit der QM-Serie, die auf der electronica 2016 ihre Premiere feierte, geht TDK-Lambda noch einen Schritt weiter: Die modulare Serie verfügt über eine vollständige MoPP-Isolierung und wartet mit einer in ihrer Leistungsklasse geringen Geräuschentwicklung auf. Und sie erlaubt durch eine optionale PM-Bus-Schnittstelle auch externe digitale Steuerung und Überwachung. Dies ermöglicht eine Einbindung in digitale Systeme aller Branchen u. a. in der Medizin und Automatisierung und ist darüber hinaus offen für die Einbindung in Anwendungen der Industrie-4.0-Umgebung.