Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
PDF download
Missverständnisse rund um die digitale Leistungselektronik ausgeräumt: Ausgabe 04/2019, 07.03.2019

Neue Funktionen und Systemvorteile

Analoge Stromwandlung ist seit Jahrzehnten ein Grundprinzip der Leistungselektronik; digitale Stromwandlung dagegen ist für viele Entwickler unbekanntes Terrain. Für die einen ist sie die Wiedergeburt der Stromwandlung, anderen erscheint sie als eine unnötige Extravaganz. In Wirklichkeit bietet diese Technik neue Funktionen und Systemvorteile für Designs, die solche Features benötigen.

Bilder: Microchip

Digitale Stromwandlung kann viele Bedeutungen haben, und bei vernünftigem Einsatz bieten digitale Techniken viele Vorteile. Der folgende Artikel untersucht eine Reihe verbreiteter Missverständnisse, um die Vorteile und den passenden Einsatz von Digitaltechnik in der Stromwandlung besser zu verstehen.

Schaltnetzteile sind entweder ausschliesslich analog oder digital
Getaktete Umrichter sind konstruktionsbedingt Mixed-Signal-Systeme. Die PulsbreitenModulationssignale (PWM) sind digital, während das Rückkopplungssignal analog ist. Zwischen diesen Domänen erfolgt eine A/DWandlung mit hochgenauem Timing. Diese Wandlung könnte erfolgen, nachdem ein verstärkerbasiertes Steuerungsnetz über den Schaltzeitpunkt entscheidet, oder sie könnte beim Auftreten eines Rückkopplungssignals erfolgen, wenn ein digitaler Algorithmus den Schaltzeitpunkt bestimmt. Mehr als je zuvor enthalten analoge Steuer-ICs digitale Schnittstellen für externe Steuerungen, und digitale Mikrocontroller Analogkomponenten, die eine Steuerung von Stromversorgungen erlauben.
Man konnte schon immer eine Stromversorgung mit einem Mikrocontroller ergänzen, heute aber kann dieser mehr Einfluss auf den Systembetrieb nehmen als je zuvor. Alternativ könnte man die gesamte Steuerschleife in einem Digital Signal Controller implementieren. Unabhängig vom genutzten Weg können Stromversorgungs-Designs flexibler und besser einstellbar sein, und mit grösserer Intelligenz auf Umfeldbedingungen oder externe Eingangssignale reagieren. Solche Funktionen lassen sich unabhängig davon realisieren, ob die Steuerschleife selbst in einer digitalen oder analogen Domäne implementiert ist. Schaltnetzteile können heute so viel digitale Logik enthalten, wie es die Anwendung erfordert.

Digitalfunktionen erfordern digitale Steuerschleifen
Die Steuerungsmethode ist ein Merkmal eines Umrichtersystems. Ein Mikrocontroller lässt sich zu jedem analogen System wie etwa einer Stromversorgung hinzufügen, um eine zusätzliche Überwachung oder Steuerung zu ermöglichen. Früher waren die Fähigkeiten eines Mikrocontrollers zur Beeinflussung einer analogen Steuerschleife ziemlich begrenzt, da sich spezielle analoge Steuerelemente nur in sehr geringem Umfang dynamisch konfigurieren liessen. Neuere analoge Steuerelemente allerdings enthalten immer öfter digitale Schnittstellen, und bieten damit mehr Möglichkeiten zur Konfigurierung oder Programmierung als Bausteine früherer Generationen.
Ähnlich gibt es heute integrierte Stromwandler mit auf dem Chip integrierten Mikrocontrollern, die eine dynamische Konfiguration in neuen Dimensionen zulassen. Bei überlegter Bauteilauswahl lassen sich digitale Kommunikationsschnittstellen, Schlaf-Modi, Arbeitsfrequenz-Verschiebungen, Synchronisation, Soft-Start, intelligenter Fehlerschutz oder Veränderungen der Ausgangsspannung/ des Ausgangsstroms auf intelligente Weise in Stromwandlersystemen mit analogen und digitalen Steuerschleifen implementieren.

Digitale Leistungswandler sind weniger robust als analoge
Stabilität ist ein komplexes System-Feature, und es gibt viele Möglichkeiten zur Verbesserung der Stabilität von analogen und digitalen Stromversorgungen. Je nach Implementation können analoge Stromversorgungen mit schnell reagierenden Unter- und ÜberspanMicrochip nungs-Komparatoren und einer echten, zyklusbezogenen Strombegrenzung schneller auf Hardwarefehler reagieren. Solche Funktionen lassen sich aber auch in einer digital gesteuerten Stromversorgung implementieren; dabei könnte man dedizierte Analogstrukturen nutzen, die in komplexeren digitalen Steuerungschips integriert sind.
Digitale Controller können analoge Strombegrenzungs-Komparatoren enthalten. Darüber hinaus können Stromversorgungen mit digitalen Funktionen viele Vorteile bieten, die sich nur schwer in einer rein analogen Lösung nachbilden lassen. Digitaler Programmcode kann kundenspezifisch angepasste Fehler- oder Brownout-Reaktionen ermöglichen, wie etwa kundenspezifischen Soft-Start, Soft-Abschaltung, Erhaltungsladung, Timeout- und Restart-Konzepte, die sich mit Analog-Controllern nur schwierig oder gar nicht realisieren lassen. Digitale Steuerschleifen oder im Chip integrierte Rückkopplungsnetze benötigen weniger externe passive Komponenten, die oft im Lauf der Zeit driften oder ausfallen könnten. Digitale Schnittstellen bieten Diagnose- und Protokollinformationen, die sich zur Ermittlung künftiger Probleme nutzen lassen und damit harte Systemausfälle vermeiden können. Die Integration solcher Funktionen ergibt ein stabileres System als eine einfache, spezialisierte analoge Lösung.

Digitale Leistungselektronik ist teurer
Auch wenn Entwickler meinen, dass digital gesteuerte Stromversorgungen kostspieliger sind als ihre analogen Entsprechungen, so stimmt das nicht immer. Digitale Stromversorgungen können kostengünstiger sein, da man sie mit weniger genauen und damit kostengünstigeren Komponenten konstruieren und bauen kann. Womöglich benötigen sie insgesamt auch weniger Bauteile, wodurch sich sowohl Kosten als auch Abmessungen verringern lassen. Auch mit Blick auf die Gesamtbetriebskosten lässt sich mit digitalen Stromversorgungen Geld sparen. In Anwendungen mit variablen Lastbedingungen können Entwickler nicht-lineare und adaptive Algorithmen implementieren, um höchste Effizienz für alle denkbaren Betriebsbedingungen bieten zu können.
Digitale Stromversorgungen können Bauteilalterung berücksichtigen und dem Benutzer melden, wenn vorbeugende Wartung nötig wird; dies ist ein weiterer Grund, warum der Betrieb von digitalen Stromversorgungen günstiger sein kann, da sich so katastrophale Bauteilausfälle und teure, ungeplante Stillstandszeiten vermeiden lassen.

Digitale Leistungselektronik bietet höheren Wirkungsgrad
Digital gesteuerte Stromversorgungen können mehr Energieeffizienz über einen breiten Bereich von Lastbedingungen bieten. Dabei kann man adaptive Algorithmen nutzen und womöglich als Reaktion auf sich ändernde Bedingungen die Topologie des Systems mit Verfahren wie Phase Shedding ändern. Digital gesteuerte Versorgungen können nichtlineare und prädiktive Algorithmen für eine bessere Dynamikantwort auf Transienten nutzen. Analoge Stromversorgungen können genauso energieeffizient sein wie digitale Stromversorgungen, bei einem gegebenen Arbeitspunkt, aber die Herausforderung für analoge Versorgungen ist die Maximierung des Wirkungsgrads, wenn Bedingungen wie der Laststrom sich vom optimalen Arbeitspunkt entfernen.
Analoge Stromversorgungen können bei einem gegebenen Arbeitspunkt genauso energieeffizient sein wie digitale Stromversorgungen; für analoge Versorgungen ist aber die Maximierung des Wirkungsgrads ein Problem, wenn sich Einsatzbedingungen wie der Laststrom vom optimalen Arbeitspunkt entfernen. Andererseits kann die für den Betrieb eines digitalen Controllers benötigte Leistung grösser sein als die eines analogen Controllers.

Latenzzeiten von digitalen Controllern wirken sich negativ aus
In einem digital kompensierten System gibt es zwei wichtige Latenzprobleme: SamplingEffekte und Berechnungszeiten. Bei jeder Stromwandlung muss man immer einen Kompromiss zwischen der Eckfrequenz (Transienten-Antwort) und der Phasenreserve (Stabilität) treffen. Digitale Systeme sind prinzipiell ähnlich, sie beruhen aber auf Abtastwerten. Eine periodische Abtastung (einmal pro Zyklus) fügt zur Übertragungsfunktion eine Phasenverschiebung hinzu. Dies lässt sich nicht einfach kompensieren; um die gleiche Phasenreserve zu erzielen, benötigt ein digitales System eine niedrigere Eckfrequenz (wenn man das gleiche Kompensationsverfahren nutzt). Zusätzlich muss der Prozessor die A/D Wandler-Auslese- und Differenzberechnungen innerhalb eines Schaltzyklus durchführen, damit die Rechenzeit nicht zusätzliche Latenz verursacht.
Diese Nachteile kann man aber mit komplexen nichtlinearen Steuermethoden und Feed-Forward-Techniken überwinden. In einem analogen Steuersystem liessen sich solche Algorithmen nur unter Schwierigkeiten oder überhaupt nicht implementieren. Ein Manko sind aber die Berechnungsanforderungen; dazu muss man einen Kompromiss zwischen Rechengeschwindigkeit, Schaltfrequenz, Komplexität des Algorithmus und der Transienten-Antwort finden. Diese Punkte müssen bereits in der Entwicklung berücksichtigt werden, führen aber nicht zwangsläufig zu einer Beeinträchtigung der TransientenAntwort aufgrund der digitalen Steuerung.

Laststrom-Null ist ein Problem
Schaltnetzteile arbeiten meist in einer von zwei Betriebsarten – im diskontinuierlich leitenden oder im kontinuierlich leitenden Modus. Im diskontinuierlich leitenden Betrieb fällt am Ende jedes PWM-Zyklus der Strom durch die Induktivität auf null. Im kontinuierlich leitenden Betrieb wird ein kontinuierlicher Stromfluss in der Induktivität aufrechterhalten. Der Vorteil des kontinuierlich leitenden Betriebs besteht darin, dass der Strom durch die Induktivität nicht bei jedem PWM-Puls von null rampenförmig ansteigen muss, so dass mit jedem PWM-Zyklus mehr Strom geliefert werden kann.
Der Nachteil besteht darin, dass der Fehlerverstärker/Schleifenfilter über die richtige Kombination aus Polen und Nullpunkten Digitale verfügen muss, um Stabilität zu gewährleisten. Unglücklicherweise wird die Steuerschleife instabil, wenn der Strom in einem kontinuierlich leitenden Design auf null abfällt.
Als Gegenmassnahme spezifizierte man in älteren Designs oft entweder einen Mindeststrom, oder man sicherte einen Mindeststrom, indem man einen Lastwiderstand am Ausgang anordnete (erzwungene kontinuierlich leitende Betriebsart – Forced Continuous Conduction, FCC). Glücklicherweise gibt es heute Power Supply Controller, die sich sowohl für kontinuierlich und diskontinuierlich leitende Betriebsarten (PWM & PFM) eignen. Überwachungsschaltungen in diesen Controllern können erkennen, wann sie von einer Betriebsart in die andere umschalten müssen.

Digitale Stromversorgungen zu entwickeln ist schwierig
Die Entwicklung von digital gesteuerten Stromversorgungen ist nicht zwangsläufig schwieriger als die Entwicklung einer analogen Versorgung – sie ist nur anders. Das Design der Leistungsstufe ist in beiden Fällen sehr ähnlich. Das Steuerschleifen- oder Kompensator-Design wird bei einem digitalen Controller eher in Firmware implementiert als mit Hilfe einer Analogschaltung. Ähnlich wie bei einem Analog-Design dient die Anordnung von Polen und Nullstellen des Geräts zur Definition der Kompensatorkenndaten; bei digitalen Kompensatoren nutzt man aber meist Software-Werkzeuge zur Konfigurierung der optimalen Steuerschleifen-Antwort.
So stehen beispielsweise hochoptimierte Software-Bibliotheken etwa für die gängigen  Kompensator-Algorithmen 2P2Z (Typ II) und 3P3Z (Typ III) zum Einsatz für die Microchip dsPIC-Familie von Digital Signal Controllern kostenlos auf der Microchip-Website zur Verfügung. Entwickler müssen also Software für diese Funktionen nicht selbst schreiben. Die Tatsache, dass digitale Stromversorgungen Software für die Steueralgorithmen nutzen, macht ihre Entwicklung nicht nennenswert einfacher. Nach wie für muss der Entwickler Steuersysteme verstehen und den Frequenzgang der Leistungsstufe charakterisieren, um den Software-gestützten Kompensator dementsprechend konfigurieren zu können. Die Feinabstimmung des StromversorgungsBetriebs in Software ist aber womöglich einfacher, als wenn man die Hardware für eine Änderung modifizieren müsste.

Ein DSP ist alles was man braucht:  Digital Power ersetzt alles andere
Auch wenn manche Experten Digital Power als Wunderwaffe zur Lösung aller Probleme propagieren, eignet sich diese Lösung nicht für jede Anwendung. So ist es wohl kaum sinnvoll, so viel Rechenleistung in einen von einer einzigen internen Lithium-Ionen-Zelle versorgten MP3-Player zu integrieren, nur um die Versorgungsspannung hochzusetzen. Andererseits erfordern zentrale Server-Stromversorgungen die Fähigkeiten eines digitalen Stromwandlers, um die nötige Ausgangsleistung effizient zu generieren und schnell auf Lastveränderungen zu reagieren.
Mobilfunkmasten etwa haben einen hohen Strombedarf, wenn der Sender eingeschaltet ist, benötigen aber wesentlich weniger Leistung bei ausgeschaltetem Sender. Der Controller des Senders weiss, wenn dieser eingeschaltet wird und kann daher den Stromwandler alarmieren, so dass der auf einen Anstieg des Durchschnittsstroms vorbereitet ist. Wird also der Sender aktiv, so steht der Strom bereits zur Verfügung. Damit lässt sich ein Leistungsabfall vermeiden, obwohl der Schleifenfilter erst verspätet reagiert. Dies ist einer der grossen Vorteile digitaler Stromversorgungen und liefert auch die Rechtfertigung für zusätzliche Design-Komplexität. Ein System mit relativ konstanter Leistungsanforderung kann andererseits ein analoges System nutzen mit seinem wesentlich einfacheren Design, geringerer Komplexität und günstigeren Kosten. Schliesslich ist ein ASIC-basierter Regler dank günstigerer Kosten und einfachem Aufbau nur schwer zu schlagen.

Software-Defined-Power hat Zukunft
Vor einigen Jahren meinte man, dass sich Software-Defined-Radio (SDR) als StandardDesign für Radioempfänger durchsetzen würde. Zwar bietet SDR viele Vorteile, es hat aber auch einen grossen Nachteil: Es benötigt einen Prozessor mit 10 bis 100 MIPs für den Empfang der Zielfrequenz. Selbst Systeme mit einem Analog-Mixer zur Umsetzung der Hochfrequenz auf eine tiefere Zwischenfrequenz würden immer noch 10 bis 100 MIPs benötigen, wobei der Prozessor nur die Demodulation übernähme. Das wäre wohl kaum sehr kosteneffizient. Behauptet heute jemand, dass sich Software-Defined Power (SDP) durchsetzt, sollte man ihn nicht allzu ernst nehmen.
Es gibt kaum etwas Einfacheres und Billigeres als einen Linearregler, und selbst wenn ein Prozessor mit den nötigen MIPs zum gleichen Preis erhältlich wäre, würde man immer noch einen linearen 5-V-Regler zum Hochstarten der Versorgungsspannung für den Prozessor benötigen. SDP hat zwar eindeutig seinen Platz in der Leistungselektronik und ist unbestritten die einzige Technik für die entsprechenden, speziellen Aufgaben – es ist aber nicht die Universallösung für die Stromwandlung, und wird es auch nie sein.

Zusammenfassung
Wenn Märkte im Fluss sind, wie dies aktuell für den Stromwandler-Markt gilt, ist es oft schwierig, Marketing von harter Information zu trennen. Wer für den Wechsel eintritt, propagiert gerne die Vorteile der neuen Technologie, vergisst dabei oft aber die damit verbundenen Probleme. Konservative konzentrieren sich lediglich auf die Probleme und sagen «warum soll man etwas reparieren, wenn es nicht kaputt ist». Wie so oft, liegt die Wahrheit aber dazwischen. Entwicklungen konzipiert man meist für den mittleren Bereich, und mischt dabei je nach Bedarf Neues mit Altem. Aus diesem Grund bietet Microchip eine breite Auswahl an Power-Lösungen von herkömmlicher Analogtechnik bis zu Digital Power.

Infoservice
Microchip Technology Inc.
Karlsruher Strasse 91, DE-75179 Pforzheim
Tel. 0049 7231 424 750, Fax 0049 7231 424 7599
www.microchipdirect.com

 



Microchip bietet eine breite Auswahl an Power-Lösungen von herkömmlicher Analog- bis zur Digitaltechnik


Digitale Verwaltung einer analogen Steuerschleife im Baustein MCP19118


Das Diagramm oben beschreibt die nötige Hardware für eine digitale Steuerschleife eines Schaltnetzteils; das Diagramm unten zeigt das Äquivalent für eine analoge Steuerschleife