Nicht-invasive Dynamikbewertung Effiziente Testmethoden für Point-of-Load-Converter

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Extreme Lastsprünge von SoCs und FPGAs stellen hohe Anforderungen für Point-of-Load-Wandler dar. Das dynamische Verhalten von DC/DC-Wandlern lässt sich dabei nicht-invasiv per VNA analysieren und objektiv bewerten.

Point-of-Load-Wandler (POL) sind heute zentrale Komponenten moderner Elektroniksysteme mit hohen Leistungsdichten und stark schwankenden Lasten. Neben klassischen Kriterien wie Wirkungsgrad, Baugröße und Kosten gewinnen dynamische Eigenschaften wie Regeldynamik und Kommunikationsfähigkeit zunehmend an Bedeutung. Besonders SoCs und FPGAs erzeugen ausgeprägte Lastsprünge, die eine schnelle und präzise Spannungsnachregelung erfordern.

Der folgende Beitrag beschreibt, wie sich das dynamische Verhalten von DC/DC Wandlern nicht-invasiv analysieren lässt. Im Fokus stehen die Messung von Ausgangsimpedanz und PSRR mittels Vector Network Analyzer (VNA) sowie deren Bewertung im Hinblick auf Stabilität und Regelgüte. Zudem wird erläutert, warum hybride, digital konfigurierbare Wandler klare Vorteile bieten: Sie kombinieren die Geschwindigkeit analoger Regelkreise mit der Flexibilität, Diagnosefähigkeit und Anpassbarkeit digitaler Systeme.

Einleitung

Die Anforderungen an Stromversorgungen in Embedded- und Hochleistungssystemen haben sich in den letzten Jahren grundlegend gewandelt. Während früher vor allem Wirkungsgrad, Verlustleistung und thermisches Verhalten im Zentrum der Bewertung standen, bestimmen heute zunehmend dynamische Kriterien wie Lastwechselverhalten, Ausgangsimpedanz, Störunterdrückung und Kommunikationsfähigkeit die Systemqualität. Moderne Prozessoren, FPGAs oder ASICs ändern ihre Leistungsaufnahme innerhalb kürzester Zeiträume, etwa durch dynamische Taktumschaltung von Rechenkernen oder das Zu- oder Abschalten von Funktionsblöcken. Dabei kann der Strombedarf eines FPGA innerhalb weniger Mikrosekunden durchaus von wenigen hundert Milliampere auf mehrere Ampere springen. In diesem Moment entscheidet die Regeldynamik des POL-Wandlers darüber, ob die Versorgungsspannung innerhalb der geforderten engen Toleranzen bleibt oder ob Unter- bzw. Überschwinger auftreten. Solche Effekte können nicht nur instabile Betriebszustände hervorrufen oder zu Fehlfunktionen oder Timing-Problemen führen, sondern auch EMV-Störungen verstärken oder die Lebensdauer der Bauteile beeinträchtigen.

Point-of-Load-Wandler adressieren diese Anforderungen, indem sie im Gegensatz zu Konzepten mit zentraler Stromversorgung eine höhere Zwischenspannung über das System verteilen und die eigentliche Spannungswandlung unmittelbar am Verbraucher vornehmen. Das reduziert Leitungsverluste, minimiert Spannungsabfälle und verkürzt deutlich die Reaktionszeit auf Laständerungen. Gleichzeitig steigt jedoch die Bedeutung einer präzisen Auslegung und Bewertung der Regelung.

Herausforderungen bei der Bewertung

Die Regeldynamik eines DC/DC-Wandlers wird maßgeblich durch Parameter wie Regelgeschwindigkeit, Phasenreserve und Ausgangsimpedanz bestimmt. Klassische Methoden zur Bewertung dieser Eigenschaften, etwa zur Durchführung einer Bode-Analyse, greifen zumeist direkt in den Regelkreis ein – typischerweise durch das Auftrennen der Feedback-Schleife. In modernen, hochintegrierten POL-Wandlern ist ein solcher Eingriff jedoch oft nicht mehr möglich oder mit erheblichem Aufwand verbunden. Hinzu kommt, dass viele Wandler als fertige Module oder vergossene Baugruppen eingesetzt werden, bei denen der interne Regelkreis vollständig verborgen ist. Für Entwickler stellt sich daher die Frage, wie sich Stabilität und Dynamik eines Wandlers objektiv bewerten lassen, ohne dessen interne Struktur zu kennen oder das Layout zu verändern. Nicht-invasive Messmethoden bieten hier einen entscheidenden Vorteil. Sie erlauben es, das Verhalten des Wandlers ausschließlich über sein Ein- und Ausgangsverhalten zu charakterisieren und daraus Rückschlüsse auf die interne Regelung zu ziehen.

Ausgangsimpedanz als Schlüsselgröße

Die Messung der Ausgangsimpedanz Z_out eines Wandlers liefert einen direkten Einblick in dessen dynamisches Verhalten. Der Verlauf der Ausgangsimpedanz ist eng mit der Fähigkeit des Reglers verknüpft, Lastsprünge auszugleichen. Für die Impedanzkurven in Bild 1 wurde bei einem DC/DC-Wandler lediglich der Regler angepasst.

Mit Hilfe eines VNA lässt sich die Ausgangsimpedanz über einen weiten Frequenzbereich ermitteln. Charakteristisch ist dabei ein lokales Maximum der Impedanzkurve, das in engem Zusammenhang mit der Regelgeschwindigkeit des Regelkreises steht. Höhe und Güte dieses Maximums liefern Hinweise auf Dämpfung und Stabilitätsreserve. Ein niedriger Gütefaktor und ein breiter, gleichmäßiger Verlauf deuten auf ein gutes Regelverhalten hin.

Im Gegensatz zu reinen Zeitbereichsmessungen ermöglicht die Betrachtung in der Frequenzdomäne eine deutlich differenziertere Analyse. Entwickler können gezielt erkennen, in welchen Frequenzbereichen der Wandler empfindlich reagiert und wie sich Änderungen an der Ausgangsbeschaltung oder Kompensationsparametern auswirken.

PSRR als Ergänzung der Dynamikanalyse

Die Messung der Power Supply Rejection Ratio (PSRR) erweitert diesen Blick. Sie wird üblicherweise in Dezibel (dB) angegeben und ist insbesondere in mehrstufigen Versorgungssystemen ein entscheidender Faktor.

Die PSRR beschreibt die Fähigkeit eines Wandlers, Störungen auf der Eingangsspannung zu unterdrücken, sodass sie nicht am Ausgang erscheinen. In realen Anwendungen speisen häufig vorgelagerte DC/DC-Stufen oder Netzteile den POL-Wandler. Deren Restwelligkeit oder niederfrequente Störungen können sich ohne ausreichende PSRR bis zur Last fortpflanzen. Eine nicht-invasive PSRR-Messung mit dem VNA zeigt auf, wie effektiv der Wandler über verschiedene Frequenzbereiche hinweg arbeitet.

Schwächen in der PSRR lassen sich oft auf eine ungünstige Auslegung der Filter- oder Regelparameter zurückführen. Die Kombination aus Ausgangsimpedanz- und PSRR-Messung ermöglicht somit eine ganzheitliche Bewertung des dynamischen Verhaltens.

Lastsprungmessungen im Kontext

Lastsprungmessungen bleiben ein wichtiges Werkzeug, da sie das unmittelbare Zeitverhalten im realen Betrieb abbilden. Sie zeigen, wie stark die Ausgangsspannung bei einem plötzlichen Lastwechsel einbricht und wie schnell der Wandler wieder in den stabilen Zustand zurückkehrt. In Bild 2 ist der Einschwingvorgang für einen DC/DC-Wandler mit einer hohen Stabilitätsreserve dargestellt.

In Kombination mit den frequenzbasierten Messungen lassen sich die Ergebnisse besser interpretieren. Während die Ausgangsimpedanz und PSRR strukturelle Eigenschaften der Regelung offenlegen, bestätigen Lastsprungmessungen deren praktische Relevanz.

Analog, digital und hybrid

Analoge Regler arbeiten kontinuierlich und reagieren daher sehr schnell auf Änderungen. Ihr Verhalten ist jedoch durch ihre Hardwareparameter fest definiert. Anpassungen an neue Lastprofile erfordern daher zumeist Änderungen an Bauteilen oder Layout, was zu unterschiedlichen Bestückungsvarianten führt.

Digitale Regler bieten demgegenüber eine wesentlich höhere Flexibilität. Parameter lassen sich per Software anpassen, Telemetriedaten auslesen und Firmware-Updates einspielen. Die zeitlich diskrete Abtastung und die notwendige Berechnung begrenzen jedoch die erreichbare Regelgeschwindigkeit und erhöhen die Komplexität.

Hybride, digital konfigurierbare Wandler kombinieren die Vorteile beider Ansätze. Der eigentliche Regelkern bleibt analog und damit schnell, während digitale Schnittstellen eine gezielte Anpassung der Regeldynamik sowie umfangreiche Diagnosefunktionen ermöglichen. Dadurch kann das Verhalten des Wandlers systembezogen optimiert werden, ohne die Hardware ändern zu müssen.

Erkenntnisse aus der Messpraxis

Praktische Messungen zeigen, dass hybride Wandler über einen deutlich größeren Arbeitsbereich stabile Regelverhältnisse aufweisen. Durch anpassbare Kompensationsparameter lässt sich eine hohe Regelgeschwindigkeit realisieren, ohne die Stabilität zu beeinträchtigen. Die Z_out-Kurven fallen breiter und gleichmäßiger ab, was auf ein kontrolliertes, gut gedämpftes Regelverhalten hinweist. Besonders bei Systemen mit wechselnden Betriebsmodi wirkt sich dies direkt auf die Zuverlässigkeit und Signalstabilität aus.

Die PSRR-Analyse unterstreicht zudem, dass hybride Wandler Versorgungsschwankungen besser ausregeln können, insbesondere im unteren Frequenzbereich, in dem Störungen durch vorgelagerte Wandlerstufen typischerweise am stärksten auftreten.

Fazit

Mit steigenden Leistungsdichten und immer dynamischeren Lastprofilen gewinnt die Regeldynamik als Entwurfsparameter deutlich an Bedeutung. Hybride, digital konfigurierbare POL-Wandler ermöglichen es Entwicklern, die Regelung systembezogen zu optimieren, ohne Hardware ändern zu müssen. Sie bieten damit nicht nur bessere technische Performance, sondern auch spürbare Vorteile im Entwicklungs- und Validierungsprozess.

Die Kombination aus nicht-invasiven VNA-Messmethoden und digital anpassbaren Reglerparametern eröffnet eine neue Möglichkeit der Stromversorgungsentwicklung: weg vom statischen Design hin zum abgestimmten, transparenten und adaptiven Versorgungssystem.

Entwicklungspfad hybrider Systeme

Die zunehmende Systemintegration in komplexen Elektronikarchitekturen verändert die Rolle des DC/DC-Wandlers. Wo dieser früher lediglich eine stabile Ausgangsspannung bereitstellte, wird er heute zu einem aktiven Element im übergeordneten Energie- und Zuverlässigkeitsmanagement. Hybride, digital konfigurierbare Wandler bilden dafür eine gute technologische Grundlage.

Ein zentraler Entwicklungstrend ist Software-Defined Power: Die Versorgungsspannung wird nicht länger statisch ausgelegt, sondern reagiert dynamisch auf Betriebszustände. Telemetriedaten wie Lastprofil oder Temperatur ermöglichen es, Kühlung, Leistungszuweisung und Betriebsmodi intelligent zu steuern.

Mit dem verstärkten Einsatz von Wide-Bandgap-Leistungshalbleitern (GaN, SiC) steigen Schaltfrequenzen und Dynamikpotenzial weiter an. Die schnelle Regelschleife eines analogen Kerns bleibt hierfür unverzichtbar, während die digitale Konfigurationsebene erlaubt, das Systemverhalten präzise auf die jeweilige Applikation und EMV-Umgebung abzustimmen.

Auch die Zuverlässigkeit profitiert: Kontinuierliche Telemetrie ermöglicht es, Trends in Spannungs-, Strom- und Temperaturverläufen auszuwerten. Daraus entsteht Predictive Maintenance: Wartungsbedarf wird erkannt, bevor Fehlfunktionen auftreten. Die dafür notwendige Auswertung kann zunehmend lokal erfolgen, etwa über Tiny-ML-Algorithmen direkt im Gerät. Darüber hinaus ermöglichen Digitale Zwillinge, reale Stromversorgungen in Simulationsmodellen abzubilden.

Die Weiterentwicklung der Algorithmik eröffnet als nächstes, selbstoptimierende Regler zu implementieren. KI-gestützte Anpassungen der Kompensationsparameter können Lastprofile in Echtzeit berücksichtigen und das Reglerverhalten aktiv anpassen. Damit entwickelt sich der DC/DC-Wandler von einer festen Baugruppe zu einem lernfähigen Systemelement. (mr)

* Markus Böhmisch ist Entwicklungsingenieur bei Elec-Con Technology GmbH.

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