Power-Supply-Management Konzepte, Problemlösungen und Bauteile

Entwickler von Stromversorgungen nutzen flexible Schaltkreise, mit denen sich systeminterne Versorgungsspannungen überwachen, die Einschaltreihenfolge von Bauteilen und Systemkomponenten

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Entwickler von Stromversorgungen nutzen flexible Schaltkreise, mit denen sich systeminterne Versorgungsspannungen überwachen, die Einschaltreihenfolge von Bauteilen und Systemkomponenten steuern und Systemeinstellungen vornehmen lassen. Warum und wie solche ICs eingesetzt werden, lesen Sie in diesem Beitrag.

Das Überwachen und Steuern einer steigenden Zahl von Versorgungsspannungen ist aus Sicherheitsgründen sowie im Hinblick auf die wirtschaftliche Nutzung und die Lebensdauer eines Elektroniksystems entscheidend. Dies gilt speziell für Systeme, die einen oder mehrere Mikroprozessoren enthalten. Für die Zuverlässigkeit und Sicherheit eines Systems ist besonders wichtig, zu ermitteln, ob sich eine bestimmte Spannung über einem Schwellwert befindet oder in einem für den einwandfreien Systembetrieb erforderlichen Spannungsbereich bewegt. Ebenfalls muss festgestellt werden, ob die Versorgungsspannungen in der richtigen Reihenfolge ein- und ausgeschaltet werden (Sequencing).

In der Praxis gibt es viele Methoden, die unterschiedliche Aspekte dieser Problematik zu adressieren. So kann zum Beispiel ein einfacher Schaltkreis, der einen genauen Widerstandsteiler, einen Komparator und eine Spannungsreferenz enthält, verwendet werden, um festzustellen, ob sich die Versorgungsspannung ober- oder unterhalb eines bestimmten Pegels befindet. In Reset-Generatoren wie dem ADM803 sind diese Elemente mit einem Verzögerungselement kombiniert, um Bauteile wie Mikroprozessoren, ASICs und DSPs während des Einschaltens im Reset-Zustand zu halten. Überwachungen auf dieser Ebene eignen sich für viele Anwendungen.

Falls mehrere Versorgungsspannungen überwacht werden müssen, werden mehrere Bauteile (oder Mehrkanal-Komparatoren und ihre zugehörigen Schaltkreise) parallel geschaltet. In zunehmend mehr Fällen sind jedoch Überwachungs-ICs erforderlich, die mehr Funktionen bieten als nur den einfachen Vergleich von Schwellwerten.

Eine häufige Anforderung, die die Bedeutung der richtigen Einschaltreihenfolge erkennen lässt, sieht zum Beispiel wie folgt aus: ein FPGA-Hersteller kann vorgeben, dass die 3,3-V-Core-Spannung 20 ms vor der 5-V-I/O-Spannung anliegen muss, um beim Einschalten des Bauteils Beschädigungen zu verhindern. Vorgaben wie diese können zum Beispiel für die Zuverlässigkeit des Systems wichtig sein. So lässt sich ebenfalls sicherstellen, dass sich die Versorgungsspannung und die Temperatur eines Bauteils in spezifizierten Grenzen bewegen.

Zehn oder mehr Versorgungsspannungen

In vielen Anwendungen hat sich inzwischen die Zahl der Versorgungsspannungen beachtlich erhöht. So enthalten komplexe und teure Systeme wie LAN-Switches und Mobilfunk-Basisstationen meist Line Cards, die mit zehn oder mehr unterschiedlichen Spannungen arbeiten. Selbst kostenkritische Systeme für den Consumer-Markt wie beispielsweise Plasma-TVs können bis zu 15 separate Versorgungsspannungen benötigen. Viele dieser Versorgungsspannungen müssen überwacht und ihrer Einschaltreihenfolge genau gesteuert werden.

Für viele leistungsfähige ICs sind heute ebenfalls mehrere Versorgungsspannungen erforderlich. So sind bei zahlreichen Bauteilen dieser Art zum Beispiel separate Core- und I/O-Spannungen Standard. Am oberen Ende der Leistungsskala können DSPs bis zu vier separate Versorgungsspannungen erfordern. In vielen Fällen kann ein System, das aus FPGAs, ASICs, DSPs, Mikroprozessoren, Mikrocontrollern und Analog-Bauteilen besteht, ohne weiteres Bauteile für mehrere Versorgungsspannungen enthalten.

Viele Baugruppen arbeiten mit Standardspannungen wie 3,3 V, während andere ganz spezifische Versorgungsspannungen benötigen. Darüber hinaus kann es erforderlich sein, eine bestimmte Standardspannung an mehreren Stellen des Systems unabhängig zur Verfügung zu stellen. So können zum Beispiel separate Versorgungen für analoge und digitale Schaltkreise (3,3VANALOG und 3,3VDIGITAL) erforderlich sein. Ein mehrfaches Erzeugen der gleichen Spannung kann notwendig sein, um die Effizienz zu verbessern (auf den Versorgungsleitungen von Speichern fließen bis zu Hunderte von Ampere) oder bestimmte Anforderungen an die Einschaltreihenfolge zu erfüllen (3,3 VA und 3,3 VB werden von unterschiedlichen Bauteilen zu verschiedenen Zeitpunkten benötigt). Alle diese Faktoren fördern den zunehmenden Einsatz von Spannungsquellen.

Komplexe Funktionen

Das Überwachen von Spannungen und das Steuern der Einschaltreihenfolge können sehr komplex werden. Dies gilt speziell für Fälle, in denen ein System zu entwickeln ist, das Power-up- und Power-down-Sequenzen unterstützt und auf alle möglichen Fehlersituationen unterschiedlicher Versorgungsleitungen zu jeweils unterschiedlichen Zeitpunkten während des Betriebs reagieren muss. Mit einem zentralen Power-Management-Controller lässt sich diese Aufgabe am besten lösen.

Mit der steigenden Zahl von Versorgungsspannungen erhöht sich die Fehlermöglichkeit. Das Fehlerrisiko steigt proportional zur Anzahl der Versorgungsspannungen, der Bauteile und der Komplexität des Systems. Durch externe Faktoren können zusätzliche Risiken entstehen. Falls zum Beispiel zu Beginn einer Entwicklung das Haupt-ASIC nicht vollständig charakterisiert ist, muss der Entwickler der Stromversorgung die Schwellwerte sowie die Timing-Sequenzen mit fest verdrahteten Schaltungselementen erfassen und dabei in Kauf nehmen, dass die ASIC-Spezifikationen zu einem späteren Zeitpunkt im Entwicklungsprozess verändert werden. Falls sich die Anforderungen ändern, muss das Board eventuell überarbeitet werden. Dies verlängert die Entwicklungszeit und verursacht zusätzliche Kosten. Darüber hinaus können sich die Spezifikationen für die Versorgungsspannung während der Entwicklung bestimmter Bauteile ändern. Unter solchen Umständen wäre eine Möglichkeit nützlich, mit der die Versorgungsspannung über einen zentralen Power-System-Manager eingestellt werden könnte. Die Flexibilität, mit der sich die Spannungen in solchen Systemen überwachen, steuern und einstellen lassen, gilt als absolute Notwendigkeit.

Die Überprüfung der Zuverlässigkeit des gewählten Fehlerschutzes und der Timing-Sequenz kann sehr langwierig sein. Ein Bauteil, das diesen Prozess vereinfacht, verkürzt die Evaluierungszeit und ermöglicht es, Produkte schneller auf den Markt zu bringen. „Fault Logging“ und digitalisierte Spannungs- und Temperaturdaten sind sowohl in der Anwendung wie auch in allen Entwicklungsphasen nützlich, vom Leiterplattenlayout bis zur Evaluierung von Prototypen.

Basis-Überwachung

Bild 1 zeigt eine einfache Methode zum Überwachen mehrerer Spannungen mit dem Komparator- und Referenz-IC des Typs ADCMP354. Dabei wird für alle Versorgungsspannungen jeweils ein separater Schaltkreis eingesetzt. Widerstandsteiler skalieren die Spannungen und stellen für jede Spannung einen Unterspannungs-Trip-Point ein. Alle Ausgänge sind zusammengeschaltet und erzeugen ein gemeinsames Power-Good-Signal.

Basis-Sequencing

Bild 2 zeigt, wie sich ein Basis-Sequencing mit diskreten Bauteilen implementieren lässt. Dabei werden statt Komparatoren Logik-Schwellwerte genutzt. Die 12- und 5-V-Versorgungen werden an anderer Stelle erzeugt. Ein Time Delay ist erforderlich, um den einwandfreien Betrieb des Systems zu gewährleisten. Dies wird mit einer Kombination aus Widerstand und Kondensator (R, C) erreicht, die dafür sorgt, dass die Gate-Spannung am N-Kanal-FET, der sich in Reihe zur 5-V-Versorgung befindet, nur langsam ansteigt. Die Werte für die RC-Kombination sind so zu wählen, dass der FET seine zum Einschalten erforderliche Schwellspannung erst nach einer ausreichend langen Verzögerungszeit erreicht. Die 3,3- und 1,8-V-Versorgungsspannungen werden mit LDO-Reglern (Low-Dropout) der Typen ADP3330 and ADP3333 erzeugt. Die Turn-on-Zeiten dieser Spannungen werden ebenso über RC-Kombinationen eingestellt. Da die RC-Kombination den Shutdown-Pin (SD) der LDOs ansteuert, ist kein FET in Reihe erforderlich. Die Werte für R und C werden so gewählt, dass eine ausreichend lange Verzögerungszeit vergeht (t2, t3), bevor die Spannungen an den SD-Pins ihre Schwellwerte überschreiten.

Dieses einfache und kostengünstige Konzept um die Einschaltreihenfolge von Stromversorgungen zu steuern, benötigt nur wenig Platz auf der Leiterplatte und eignet sich für viele Anwendungen. Insbesondere bei Systemen, die nur wenig kosten dürfen, und keine hohen Anforderungen an das Sequencing stellen, sind diese einfachen Konzepte ausreichend.

In vielen Situationen sind jedoch Lösungen notwendig, die im Vergleich zu RC-Schaltungen eine höhere Genauigkeit bieten. Außerdem lassen sich mit dieser einfachen Lösung Fehler nicht strukturiert bearbeiten; zum Beispiel wenn ein Fehler auf der 5-V-Versorgung andere Versorgungsspannungen beeinträchtigt.

Sequencing mit ICs

Bild 3 zeigt, wie die Sequencing-ICs der Typen ADM6820 und ADM1086 für Stromversorgungen eingesetzt werden können, um in einem ähnlichen System die Spannungsversorgungen genau und zuverlässig einzuschalten. Interne Komparatoren erkennen, sobald eine Versorgungsspannung einen genau eingestellten Pegel überschreitet. Die Ausgänge der Schaltung werden je nach programmierter Verzögerungszeit eingeschaltet. Somit können die Regler der Bauteile ADP3309 und ADP3335 in der gewünschten Sequenz arbeiten. Die Schwellwerte werden über Widerstandsverhältnisse, die Verzögerungen über einen Kondensator eingestellt.

Auf dem Markt werden zahlreiche Sequencing-ICs für Stromversorgungen angeboten. Einige dieser Bauteile verfügen über Ausgänge, die zum direkten Aktivieren von Power-Modulen verwendet werden können. Die angebotenen Bauteile stehen mit zahlreichen Ausgangskonfigurationen zur Verfügung. Einige von ihnen enthalten integrierte Charge-Pump-Spannungsgeneratoren. Besonders nützlich ist dies für Low-Voltage-Systeme, bei denen die Versorgungsspannungen in einer bestimmten Reihenfolge eingeschaltet werden müssen und die keine Hochvolt-Spannungsquelle wie etwa eine 12-V-Spannung zum Ansteuern von N-Kanal-FET-Gates enthalten. Viele dieser Bausteine verfügen auch über Enable-Pins, mit denen der Sequencer über ein externes Signal (erzeugt über einen Druckschalter oder einen Controller) neu gestartet oder die Versorgungsspannungen – falls erforderlich – abgeschaltet werden.

Integriertes Power-System-Management

In einigen Systemen wird mit so vielen Versorgungsspannungen gearbeitet, dass Konzepte, die aus einer Vielzahl von ICs bestehen und bei denen das Timing sowie die Schaltschwellen mit Widerständen und Kondensatoren eingestellt werden, zu komplex und zu teuer werden und die gewünschte Leistung nicht erreichen.

Man stelle sich zum Beispiel ein System mit acht Versorgungsspannungen vor, bei dem eine komplexe Einschaltreihenfolge eingehalten werden muss. Jede der Versorgungsspannungen muss auf Fehler wie Unter- oder Überspannung überwacht werden. Im Fehlerfall könnten alle Spannungen abgeschaltet oder – je nach Fehler – eine Power-Down-Sequenz initiiert werden. Je nach Zustand des Steuersignals erfolgen bestimmte Aktionen. Außerdem müssen je nach Zustand der Stromversorgungen Flags erzeugt werden. Um eine derart komplexe Schaltung mit diskreten Bauteilen und einfachen ICs zu entwickeln, können Hunderte von Einzelbauteilen erforderlich sein. Außerdem benötigt eine solche Lösung sehr viel Platz auf dem Board und verursacht hohe Gesamtkosten.

In Systemen mit vier oder mehr Spannungen ist es sinnvoll, ein zentrales Bauteil einzusetzen, das die einzelnen Stromversorgungen administriert. Ein Beispiel für ein solches Konzept zeigt Bild 4.

Zentrale Überwachung und Sequencing

Auch bei der Super-Sequencer-Familie ADM106x wird mit Komparatoren gearbeitet, allerdings mit einigen wichtigen Unterschieden. Allen Eingängen der Schaltung sind zwei Komparatoren zugeordnet, mit denen sich Unter- und Überspannungen erkennen lassen. Somit ist es möglich, die von den DC/DC-Wandlern ADP1821 und ADP2105 sowie dem LDO ADP1715 erzeugten Spannungen zu überwachen. Da vor dem Einschalten der Versorgungsspannung auf jeder Versorgungsleitung eine Unterspannung vorhanden ist, kann diese Situation für das Sequencing verwendet werden. Eine Überspannung auf der Versorgungsleitung signalisiert normalerweise einen schwerwiegenden Fehler wie etwa einen kurzgeschlossenen FET oder einen Kurzschluss in einer Spule. In diesem Fall sind entsprechende Maßnahmen sofort durchzuführen.

Systeme mit sehr vielen Stromversorgungen sind normalerweise sehr komplex und müssen höhere Anforderungen an die Genauigkeit erfüllen. Auch das Einstellen exakter Schwellwerte mit Widerständen wird bei niedrigeren Spannungen von beispielsweise 1,0 und 0,9 V zunehmend schwieriger. Beim ADM1066 lassen sich die Schaltschwellen des Eingangskomparators unabhängig von der Spannung (bis hinunter auf 0,6 V) und über den gesamten Temperaturbereich des Bauteils auf mindestens 1% genau einstellen. Interne Glitch-Filterund ein Hysterese-Verlauf für jeden Komparator sind weitere Eigenschaften des ADM1066. Die Logikeingänge des Bauteils können zum Start der Einschaltsequenz, zum Abschalten aller Versorgungsleitungen oder für andere Aufgaben verwendet werden.

Die von den Komparatoren der Schaltung gelieferten Informationen lassen sich für unterschiedliche Zwecke nutzen:

Sequencing: Sobald die Spannung am Ausgang einer gerade eingeschalteten Stromversorgung einen bestimmten Wert erreicht, kann nach einer bestimmten Zeitverzögerung die nächste Versorgungsleitung aktiviert werden. Ein komplexes Sequencing für mehrere Ein- und Ausschalt-Sequenzen oder völlig unterschiedliche Ein- und Ausschalt-Sequenzen sind möglich.

Timeout: Falls die Spannung auf einer bereits aktivierten Versorgungsleitung sich nicht wie erwartet verhält, können entsprechende Maßnahmen ausgelöst werden (z.B. das Erzeugen eines Interrupts oder Abschalten des Systems). Eine rein analoge Lösung wäre dazu nicht in der Lage.

Überwachung (Monitoring): Falls die Spannung auf einer Versorgungsleitung einen eingestellten Bereich verlässt, können je nach Versorgungsleitung, Fehlertyp und aktuellem Betriebszustand der Schaltung entsprechende Maßnahmen ausgelöst werden. Systeme mit mehr als fünf Stromversorgungen sind meist teuer und verlangen daher einen besonders wirkungsvollen Fehlerschutz.

Eine integrierte Ladungspumpe dient zum Erzeugen einer Gate-Treiberspannung von etwa 12 V und zwar auch dann, wenn die höchste im System verfügbare Spannung nur 3 V beträgt. Somit lassen sich in Reihe geschaltete N-Kanal-FETs direkt ansteuern. Über zusätzliche Ausgänge lassen sich DC/DC-Wandler oder Spannungsregler ein- oder ausschalten. Dadurch lässt sich die Spannung eines Ausgangs intern auf die Höhe der Eingangsspannung oder auf den Wert der intern geregelten Spannung bringen. Die Ausgänge können auch als Open-Drain benutzt werden. Außerdem lassen sich Ausgänge auch als Statussignale wie Power Good oder Power-On-Reset verwenden. Status-LEDs sind, falls erforderlich, direkt über die Ausgänge ansteuerbar.

Einstellen der Versorgungsspannung

Zusätzlich zu ihren Möglichkeiten zum Überwachen mehrerer Versorgungsleitungen und ihrer Eigenschaft als Lösung für komplexes Sequencing enthalten integrierte Power-Management-Bauteile wie der ADM1066 Funktionen, mit denen sich einzelne Spannungen temporär oder permanent einstellen lassen. Die Ausgangsspannung eines DC/DC-Wandlers oder Spannungsreglers lässt sich verändern, indem man die Spannung am Abgleich- oder Feedback-Knoten des Bauteils einstellt. Normalerweise dient ein Widerstandsteiler zwischen Ausgang und Masse des Moduls zur Einstellung einer Nennspannung am Abgleich/Feedback-Pin. Dies wiederum stellt eine Nennspannung am Ausgang ein. Einfache Konzepte, bei denen zusätzliche Widerstände zu- oder abgeschaltet oder variable Widerstände in der Rückkopplungsschleife gesteuert werden, verändern die Abgleich/Feedback-Spannung und stellen somit die Ausgangsspannung ein.

Der ADM1066 enthält D/A-Wandler, die eine direkte Steuerung über den Abgleich/Feedback-Knoten ermöglichen. Um die maximale Effizient zu erzielen, arbeiten die DACs nicht zwischen Masse und einer Maximalspannung, sondern in einem relativ schmalen Spannungsfenster mit der nominalen Abgleich/Feedback-Spannung als Mittelpunkt. Der Wert eines Dämpfungswiderstands skaliert die inkrementale Änderung am Ausgang des Power-Moduls mit jeder LSB-Änderung des DAC. Diese Open-Loop-Einstellung liefert Margin-Up- und Margin-Down-Pegel, die den durch digitales Widerstands-Switching in der Referenzschaltung erhaltenen Pegeln entsprechen, und stellt die Ausgangsspannung mit ähnlicher Genauigkeit ein.

Darüber hinaus enthält der ADM1066 einen 12bit-A/D-Wandler (ADC) zur Messung der Versorgungsspannung. Somit kann ein Closed-Loop-Konzept zur Einstellung der Versorgungsspannung implementiert werden. Bei voreingestelltem DAC-Ausgang wird die Spannung am Ausgang des Power-Moduls vom ADC digitalisiert und per Software mit der Zielspannung verglichen. Der DAC kann dann so eingestellt werden, dass Ausgangsspannung und Zielspannung möglichst genau übereinstimmen. Dieses Closed-Loop-Konzept ermöglicht eine sehr genaue Einstellung der Versorgungsspannung. Bei einem Closed-Loop-Konzept ist die Genauigkeit der externen Widerstände unbedeutend. Bei der in Bild 4 gezeigten Schaltung wird die Ausgangsspannung von DC-DC4 über die integrierten DACs eingestellt.

Marging oder Kompensation

Für ein Konzept zum Einstellen der Versorgungsspannung gibt es zwei primäre Einsatzgebiete: „Margining von Stromversorgungen“ und „Kompensation von Spannungsschwankungen in der Anwendung“. Beim „Margining“ wird das Verhalten des Systems beim Betrieb seiner Stromversorgungen im spezifizierten Versorgungsspannungsbereich (Margin) getestet. So müssen zum Beispiel Hersteller von Daten- und Telekommunikationsgeräten, Mobilfunk-Infrastrukturen, Servern und Storage-Area-Network-Equipment ihre Systeme vor der Auslieferung an ihre Endkunden optimal testen.

Für alle Stromversorgungen eines Systems ist ein bestimmter Toleranzbereich (z.B. ±5% oder ±10%) spezifiziert. Mit dem „Margining“ lassen sich alle Stromversorgungen eines Systems auf die oberen und unteren Grenzwerte des Toleranzbereichs einstellen. Entsprechende Tests überprüfen die einwandfreie Funktion. Ein zentrales Power-Management-Bauteil, das über Möglichkeiten zur Einstellung der Stromversorgung verfügt, kann zur Durchführung von Margining-Tests verwendet werden. Bei einer solchen Lösung sind zur Durchführung einer Funktion, die ausschließlich während des vom Hersteller durchgeführten Margining-Tests benötigt wird, nur wenige externe Bauteile erforderlich.

Das so genannte „Four-Corners“-Testing, bei dem Geräte in ihrem Versorgungsspannungs- und Temperaturbereich getestet werden, ist in der Praxis häufig erforderlich. Zu diesem Zweck enthält der ADM1062 zusätzlich zu Closed-Loop Power-Supply-Margining-Schaltkreisen Funktionen zum Ermitteln sowie zum Readback der Temperatur.

Das zweite Einsatzgebiet ist die Kompensation von Spannungsschwankungen in der Anwendung, für die es viele Ursachen gibt. So kommt es zum Beispiel häufig vor, dass sich die Spannung eines Systems mit der Temperatur leicht verändert. Über die Lebensdauer eines Produkts können sich die Werte einiger Bauteile verändern und so eine Spannungsdrift hervorrufen. Die ADC- und DAC-Schleifen können in Verbindung mit einer Software-Kalibrationsschleife periodisch aktiviert werden (z.B. alle 10, 30 oder 60 s), um die Spannungen auf den gewünschten Pegeln zu halten.

Flexibilität

Der ADM1066 enthält nicht-flüchtigen Speicher und kann somit so oft programmiert werden wie erforderlich. Damit können Entwickler stets auf Änderungen reagieren, die sich während des Entwicklungsprozesses hinsichtlich Spannungsüberwachung und Sequencing ergeben. Für die Praxis bedeutet dies, dass das Hardwaredesign zu einem frühen Zeitpunkt im Prototyping-Prozess abgeschlossen und die Spannungsüberwachung sowie das Sequencing später optimiert werden können.

Funktionen wie digitale Temperatur- und Spannungsmessungen vereinfachen und verkürzen den Evaluierungsprozess. „Margining“-Tools ermöglichen das Einstellen der Versorgungsspannung während des Entwicklungsprozesses. Damit lässt sich in einer Situation, in der sich zum Beispiel ein ASIC, ein FPGA oder ein Prozessor noch in der Entwicklung befindet und weiterhin an den Versorgungsspannungspegeln oder den Sequencing-Anforderungen gearbeitet wird, eine einfache Spannungseinstellung über die GUI der Software durchführen. Das Power-Management-Bauteil lässt sich in wenigen Minuten neu programmieren. Ein physikalischer Austausch von Bauteilen auf dem Board oder ein Redesign der Hardware sind nicht erforderlich.

Viele Produkte, angefangen bei Notebooks, Set-Top-Boxen und Automotive-Systemen bis hin zu Servern und Storage-Lösungen, Mobilfunk-Basisstationen, Internet-Routing- und Switching-Systemen, arbeiten intern mit mehreren Versorgungsspannungen. Das bedeutet, dass beim Einschalten der Systembauteile eine bestimmte Reihenfolge eingehalten werden muss (Sequencing). Dies stellt die Entwickler von Stromversorgungen vor große Herausforderungen. Strengere Testprozeduren, neue Arten zum Sammeln von geräteinternen Informationen sowie eine schnelle und einfache Programmierung sind insbesondere bei Produkten der mittleren und oberen Leistungsklasse von großem Interesse. Mit integrierten Power-Management-Schaltkreisen, die nur wenig Platz benötigen und die Entwicklungszeit verkürzen, lassen sich diese Herausforderungen effizient bewältigen und zugleich eine höhere Systemzuverlässigkeit erzielen.

Analog Devices , Tel. +49(0)89 769030

*Alan Moloney ist als Produktmanager bei Analog Devices in Wilmington tätig.

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