Wie Digital Power die Entwicklung verteilter Stromversorgungssysteme vereinfacht

Anbieter zum Thema

TRACO ELECTRONIC GMBH

Bicker Elektronik GmbH

RECOM Power GmbH

Murata Power Solutions

Ericsson AB Ericsson Power Modules

Frontend-AC/DC-Netzteil mit –48-V-Ausgang

Das Frontend-AC/DC-Netzteil bietet dabei einen -48-V-Ausgang. Ein DC/DC-Modul auf jeder Karte wandelt diese Spannung in 12 oder 5 V oder in eine Kombination aus beiden, um die jeweils benötigte Betriebsspannung für die Halbleiterbauelemente im System bereitzustellen (Bild 1). Nach 3,3-V-Halbleiter-ICs reicht deren Betriebsspannung heute hinab bis auf 0,9 V, wobei einige Prozessoren sogar Ströme von bis zu 90 A bei Volllast benötigen.

Je größer die Differenz zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannung eines DC/DC-Wandlers, desto weniger effizient ist die Energiewandlung. Für maximale Systemeffizienz sollte die letzte Wandlung so nahe wie möglich an der Last, z.B. dem Prozessor, FPGA oder einem anderen Baustein stattfinden. Da die dazu verwendeten Stromversorgungen am Verbraucher platziert sind, werden sie POL-Wandler genannt (Point of Load). So wird ein höherer Wirkungsgrads erreicht und zudem Instabilitäten vermieden, die aufgrund von Streuimpedanzen in langen PCB-Leiterbahnen oder der Systemverkabelung entstehen können. Das Unternehmen Datel, das 2007 von Murata als Teil der Power Electronics Division von C&D Technologies übernommen wurde, war in den 1980- und 1990-er Jahren ein Pionier bei isolierten DC/DC-Wandlern und POL-Modulen.

Mehrere Wege zur verteilten Stromversorgungsarchitektur

Verteilte Stromversorgungsarchitekturen können auf verschiedene Arten umgesetzt werden, wobei geregelte oder ungeregelte Busspannungen verwendet werden können. Da die Systeme immer komplexer werden und verschiedene Spannungen erfordern, z.B. 12, 5, 3,3, 2,5 und 1,2 V, begannen Entwickler vor etwa 15 Jahren damit, Intermediate-Bus-Architekturen (IBA) zu verwenden. Dabei speist das AC/DC-Netzteil einen IBA-Wandler mit 24 oder –48 V. Der isolierte IBA-Wandler gibt 5 bis 14 V_DC ab und speist die erforderliche Anzahl an POL-Wandlern (Bild 2).

Die verteilte Stromversorgung wird digital

Die Nachfrage nach anspruchsvollen Power-Management-Funktionen wie die Ablaufsteuerung (Sequenzierung) von Stromversorgungen durch geregeltes Hochfahren (erforderlich bei großen FPGAs) sowie der Wunsch nach kleineren Leiterplatten und weniger externen Bauteilen führen zunehmend zum Einsatz digital geregelter Stromversorgungen (Digital Power). Einen wesentlichen Beitrag dazu leisten Power-Management-ICs von Unternehmen wie Texas Instruments, die im Dezember 2002 das erste DSP-Entwicklungskit speziell für Stromversorgungen einführten.

Doch erst die Entwicklung serienmäßig gefertigter Digital-Power-Module hat die Umsetzung von Digital Power in den letzten fünf Jahren vorangetrieben. Erste Modelle kamen 2008 von Ericsson auf den Markt, z.B. der Intermedia-Bus-Wandler BMR453. Digitale Wandler haben vieles gemeinsam mit ihren analogen Pendants, z.B. ähnliche Leistungsschalter und Ausgangfilter. Der innere Regelkreis ist jedoch digital ausgelegt und somit flexibel für eine maßgeschneiderte Stromversorgung. Außerdem lässt sich die Stromversorgung dynamisch und in Echtzeit an die Betriebsbedingungen des Systems anpassen. Kommunikation, Überwachung und Reglung werden über den Industriestandard PMBus umgesetzt.

(ID:43161787)