Power-Tipp Dynamic Voltage Scaling: So regeln Sie die Spannung genauer aus

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Zum Erzeugen von sehr genauen Versorgungsspannungen, sowohl von hoher DC-Genauigkeit als auch von hoher dynamischer Genauigkeit, gibt es interessante Lösungen. Besonders der Einsatz von Dynamic Voltage Scaling (DVS) kann sinnvoll sein. Dafür gibt es spezielle Bausteine.

Ist eine besonders genau geregelte Versorgungsspannung gefordert, finden Sie in den Datenblättern von Schaltreglern Angaben zur DC-Spannungsgenauigkeit. Diese liegt üblicherweise bei +–1 % oder auch +–0,5 %. Falls der Spannungswandler einen externen Widerstandsteiler im Rückkoppelpfad verwendet, sollten Sie die Toleranz der Widerstände ebenfalls in die Berechnung der Spannungsgenauigkeit einfließen lassen.

Neben der DC-Genauigkeit müssen Sie darüber hinaus die dynamische Spannungsgenauigkeit berücksichtigen. Tritt eine Lasttransiente auf, also wird plötzlich ein hoher Strom von der Last verbraucht, kann die erzeugte Spannung einknicken oder über die Sollspannung angehoben werden, bevor sie sich wieder auf den Sollwert einpendelt.

Dieses Verhalten ist abhängig von der Geschwindigkeit der Regelschleife. Anwendungen, bei welchen die Versorgungsspannung sehr genau geregelt werden muss, erfordern üblicherweise auch eine genaue Spannung während dieser Lasttransienten.

Spannungsverlauf nach einer Lasttransiente

Bild 1 zeigt einen typischen Spannungsverlauf nach einer Lasttransiente. Hier wurde eine Last zum Zeitpunkt 100 µs zugeschaltet und zum Zeitpunkt 400 µs abgeschaltet. Eine solche Spannungsschwankung auf Grund einer Lasttransiente, wie in Bild 1 dargestellt, ist üblicherweise ein Vielfaches höher als die DC-Genauigkeit der Versorgungsspannung. In Bild 1 sind die Grenzen einer 1 %-Genauigkeit als gestrichelte Linie eingezeichnet.

Was ist DVS?

Um diese manchmal sehr hohen Spannungsschwankungen in ein vorgegebenes Genauigkeitsfenster zu bringen, ist es sinnvoll DVS (Dynamic Voltage Scaling) zu verwenden. Hier wird bei einer niedrigen Last vermutet, dass als nächstes eine Lasttransiente zu einer hohen Last vorkommen wird. Somit wird die Ausgangsspannung vor dieser Lasttransiente etwas erhöht (z.B. auf 5,2 V). Dabei bleibt die Amplitude des Spannungseinbruches unverändert. Allerdings würde die Spannung nicht von 5 V auf 4,75 V einbrechen, sondern von 5,2 V auf 4,95 V.

In Zeiten eines hohen Laststromes würde man die Spannung leicht absenken, da die Last irgendwann wieder absinkt. Der Spannungsübersprung wäre dann geringer.

Bild 2 zeigt die Schaltung eines abwärtswandelnden Schaltreglers, der ein einfaches DVS implementiert hat. Am Pin V_SEL (Spannungsselektion) wird ein Signal beispielsweise von einem Mikrocontroller angelegt, welches vorgibt, ob die generierte Spannung leicht angehoben werden soll oder nicht. Bei einem einfachen DVS muss das System einen solchen Befehl generieren und dem Schaltregler zuführen. Andere Schaltregler haben bereits ein umfangreicheres DVS-System implementiert. Hier können Sie individuelle Lastschwellen für die DVS-Umschaltung direkt programmieren.

Bei Anwendungen, welche eine besonders genau ge­regelte Spannung benötigen, kontrolliert ein Überwachungsbaustein, ob die erzeugte Spannung auch wirklich innerhalb des zulässigen Bereiches liegt. Um die üblicherweise viel genauere DC-Spannung, also während keine Lasttransienten auftreten, zu überprüfen, genügt ein einfacher Überwachungsbaustein.

Überwachungsbausteine für DVS-Systeme

Bei DVS-Systemen reicht dies jedoch nicht aus. Die DC-Spannung hat hier zwei unterschiedliche Werte. Den etwas höheren Wert und den etwas niedrigeren Wert des DVS-Konzeptes.

Um auch bei DVS-Systemen die Spannung zuverlässig zu überwachen, gibt es spezielle Bausteine, wie beispielsweise den Power System Monitor MAX20480. Der Chip hat einen digitalen I²C-Anschluss und kann bei DVS-Systemen, genauso wie der Schaltregler aus Bild 2, über den V_SEL-Pin dynamisch umgeschaltet werden, um eine höhere oder niedrigere DC-Spannung zu steuern. Bild 3 zeigt vereinfacht den DVS-Schaltregler aus Bild 2 mit einem hinzugefügten DVS-fähigen Spannungsüberwachungsbaustein. (kr)

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