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Kommunikation Anforderungen an das digitale Powermanagement

| Autor: Kristin Rinortner

Überblick zu den Hauptanforderungen an moderne Powermanagementsysteme

Anforderungen an das digitale Powermanagement
Anforderungen an das digitale Powermanagement
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Ein optimales Powermanagementsystem charakterisiert nicht nur die Systemleistung. Mit ihm lassen sich Spannungssequenzen optimieren und der Stromverbrauch minimieren. Fertigungstests können einfach durchgeführt und Fehlerursachen schnell erkannt werden. Der Beitrag gibt einen Überblick zu Hauptforderungen an moderne Powermanagementsysteme.

Die Entwickler moderner Netzwerkausrüstungen sind gezwungen den Datendurchsatz und die Leistungsfähigkeit ihrer Systeme zu steigern und außerdem zusätzliche Funktionen und Eigenschaften zu integrieren. Auch der Energieverbrauch des Gesamtsystems soll bei gleich bleibender physikalischer Größe gesenkt werden. Diese „grünen“ Netzwerksysteme bestehen aus vielen ASICs, DSPs und Prozessoren mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen (30 bis 40 unterschiedliche Versorgungsspannungen sind nicht ungewöhnlich).

In Datenzentren muss der gesamte Leistungsbedarf durch Umterminierung (rescheduling) des Datenflusses (work flow) und Umverteilen von Arbeiten an nicht ausgelastete Server reduziert werden. Nicht benötigte Server werden abgeschaltet. Dazu muss man den Leistungsbedarf der Endanwender kennen. Ein optimal entwickeltes digitales Powermanagementsystem (PMS) versorgt den Nutzer mit diesen Daten zum Leistungsverbrauch.

Elemente einer Stromversorgungsbaugruppe mit Mehrfachspannungen

Bild 1: Das Kaskadieren mehrerer LTC2978-Bausteine für eine Anwendung mit Mehrfachversorgungsspannungen Bild 1: Das Kaskadieren mehrerer LTC2978-Bausteine für eine Anwendung mit Mehrfachver-sorgungsspannungen

Ein großes Board mit Mehrfachversorgungsspannungen besteht aus einem isolierten Intermedia-Bus-Converter (IBC), der die –48 V von der Backplane auf eine Zwischenbusspannung (intermediate bus voltage – IBV) wandelt, typisch 12 bis 3,3 V, und über die Karte verteilt. Einzelne Point-of-Load-(POL)-Gleichspannungswandler wandeln diese Zwischenbusspannung (IB) auf die benötigten Versorgungsspannungen herunter, die typische Stromnennwerte von 1 bis 120 A von 5 bis 0,6 V haben (Bild 1).

Die POLs können als eigenständige Module ausgeführt sein oder sind Lösungen, die aus Gleichspannungscontrollern mit dazugehörigen Spulen, Kondensatoren und MOSFETs bestehen. Diese Versorgungsspannungen sind hinsichtlich des sequenziellen Einschaltens der Versorgungen, der Spannungsgenauigkeit, ausreichender Spannungsmargen und der Überwachung sehr sensibel.

Digitales Powermanagement

Powermanagement-Bausteine werden ständig weiterentwickelt. Die Powermanagementschaltung darf jedoch nicht zu viel der Leiterplattenfläche beanspruchen. Sie muss zudem robust und einfach einzusetzen sein. Die PM-Funktionen (Power Management) wurden in der Vergangenheit mit zahlreichen ICs realisiert, wie FPGAs, Sequenzer, Supervisors, D/A-Wandler und Margin-Controller.

Bild 2: Beispiel für eine typische Anwendung Bild 2: Beispiel für eine typische Anwendung

Der LTC2978 kombiniert diese Funktionen in einem Baustein, der mit weiteren Bausteinen über eine Taktleitung und optionale gemeinsame Fehlerleitungen zusammengeschaltet ist und bis zu 72 Versorgungsspannungen mit einem einzigen Segment eines I²C-Busses steuern kann. Nachfolgend werden einige der Schlüsselanforderungen von derartigen Powermanagementsystemen untersucht.Neuere Powermanagement-ICs kombinieren mehrere Funktionen und können bis zu acht unterschiedliche Versorgungsspannungen ansteuern. Bild 2 zeigt als Beispiel einen Kanal des digitalen Powermanagement-ICs LTC2978, der einen Gleichspannungswandler steuert. Solche Lösungen können autonom arbeiten oder mit einem Host-Prozessor kommunizieren, um Befehle zu übermitteln, die Steuerung zu übernehmen und um Reports telemetrisch zu übertragen.

Neue Steuersprache für große Boards mit Mehrfachversorgungsspannungen

Die Befehlssprache PMBus wurde entwickelt, um die Bedürfnisse von großen Mehrfachversorgungsspannungssystemen zu erfüllen. Der PMBus ist ein offenes standardisiertes Powermanagementprotokoll mit einer vollständig definierten Befehlssprache, die die Kommunikation mit Leistungswandlern, Powermanagementbausteinen und System-Hostprozessoren in einer Stromversorgung vereinfacht. Zusätzlich zum definierten Satz von Standardbefehlen können in PMBus-kompatible Bausteine auch proprietären Befehle implementiert sein, um spezielle Funktionen zu bieten.

Die Standardisierung der Befehle und des Datenformats ist ein großer Vorteil für diejenigen, die diese Baugruppen produzieren. Das Protokoll ist über die serielle Standard-SMBus-Schnittstelle implementiert und ermöglicht das Programmieren, Steuern und die Echtzeitüberwachung der Leistungswandler. Die Standardisierung der Befehlssprache und des Datenformats erlaubt eine vereinfachte Entwicklung von Firmware und ihre Wiederverwendung, was für die Entwickler in einer verkürzten Markteinführung ihrer Powersysteme resultiert.

Anforderungen an ein digitales Powermanagementsystem auf Baugruppenebene

Die folgenden Punkte zeigen die Hauptanforderungen, die Entwickler beachten sollten, wenn sie digitale Powermanagementsysteme auf Baugruppenebene entwickeln:

  • Sequencing:

Manche Prozessoren erfordern es, dass ihre I/O-Spannung vor ihrer Core-Spannung ansteigt, manche DSPs hingegen, dass ihre Core-Spannung vor ihrer I/O-Spannung ansteigt. Damit ist ein Power-down-Sequencing erforderlich. ASICs mit sieben Spannungspegeln sequenziell zu versorgen ist heutzutage üblich. Mit einem idealen Sequenzer lassen sich alle Versorgungspegel im System beliebig nacheinander ansteuern.

Jeder Pegel ist von jedem anderen abhängig. Dies wird mit dem Einsatz eines universellen Takts erreicht, der alle Sequenzer-ICs auf derselben Zeitbasis synchronisiert. Da Verzögerungen beim sequenziellen Ansteuern im Bereich von einigen Millisekunden liegen, darf dieser Takt eine niedrige Frequenz und ein geringes Rauschen von z.B. 100 kHz haben.

In einem Multirail-Sequenzer werden die meisten Anhängigkeiten mit konfigurierbaren Einstellungen innerhalb des Sequenzers eingerichtet. Wenn Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Sequenzern notwendig sind, kann ein gemeinsamer Fehlerbus (fault sharing bus) zwischen den Sequenzern verwendet werden. Eine Fehlergruppe können entweder die Core- und I/O-Pegel eines Prozessors oder alle sieben Versorgungspegel eines ASICs sein.

Durch die Abhängigkeit dieser Pegeln untereinander wird erreicht, das die Sequenz abgebrochen wird, wenn z.B. einer dieser Pegel nicht bis auf seine maximale Spannung während der Hochfahr-Sequenz ansteigt. Ein Beispiel für das Sequentialisieren und das Einstellen des Spannungspegels zeigt Bild 3.
  • Überwachen (Supervision):
Bild 3: Beispiel für das Sequencing und Margining Bild 3: Beispiel für das Sequencing und Margining

Schnelle Komparatoren müssen die Pegel jeder Versorgungsspannung überwachen und sofort Schutzmaßnahmen einleiten, sobald ein Versorgungspegel seine spezifizierten Grenzwerte überschreitet. Der Host wird über die ALERTB-Leitung des SMBusses unterrichtet, dass ein Fehler aufgetreten ist und abhängige Pegel werden abgeschaltet, um den ASIC zu schützen. Um dies zu erreichen, sind eine vernünftige Genauigkeit und Antwortzeiten in der Größenordnung von einigen zehn Mikrosekunden erforderlich. Es ist ebenfalls hilfreich, ein variables „Deglitching“ der Über-/Unterspannungsfunktion zu haben, um falsches Auslösen auf verrauschten Pegeln zu verhindern.

  • Genauigkeit:

Da Spannungen unter 1,8 V fallen können, haben viele handelsübliche Module Probleme damit, die Genauigkeit der Ausgangsspannung bei Temperaturänderungen beizubehalten. Anforderungen an die Gesamtgenauigkeit von ±10 mV sind nicht unüblich. Es kann deshalb nötig sein, die Ausgangsspannung zu trimmen. Hersteller führen Margin-Tests durch, um sicherzustellen, dass ihre Systeme einwandfrei arbeiten, selbst wenn die Versorgungsspannungspegel driften. Dieses Driften der Spannungspegel lässt sich durch externes Trimmen des Moduls vollständig eliminieren. Der LTC2978 enthält eine digitale 15-Bit-Servo-Schleife, die den Spannungspegel misst und die Ausgangsspannung kontinuierlich auf ±0,25% trimmt.

  • Margining:

Dieselbe digitale Servo-Schleife wird verwendet, um den Spannungspegel während des Produktionstests mit einem I²C-Befehl oben und unten zu begrenzen. Es gibt einen Servo pro Kanal.

  • Spannungs- und Stromüberwachung:

Um den Energieverbrauch zu reduzieren, muss man die Last unter allen Betriebsarten charakterisieren. FPGA-Anwender optimieren heute ihren Code, um den Stromverbrauch zu minimieren. Echtzeit-Telemetrie macht dies einfach. Handelsübliche Module melden jedoch keine Stromstärke oder Spannung. Um Ströme exakt zu messen, ohne unerwünschte Verluste einzubringen, muss das Powermanagement-IC extrem genau sein und eine ebenso hohe Auflösung besitzen.

Eine –20A/1V-Leistungsstufe müsste beispielsweise eine Ausgangsspule mit einem Gleichspannungswiderstand von 0,5 mΩ haben. Um deren Ausgangsleistung in Schritten von 1 W exakt zu messen, ist eine Auflösung von <500 µV notwendig. Der LTC2978 besitzt eine Auflösung von 13,5 µV und einen Fehler von 0,25%.

Fehlerdiagnose: Im LTC2978 ist eine Liste aller Fehler gespeichert, die in den letzten 500 ms auftraten. Der Chip zeigt z.B. an, welcher Spannungspegel fehlerhaft war oder welcher Teil seine Temperaturgrenzen überschritten und abgeschaltet hat.

  • Fehler-Speicherung:

Das Powermanagement-IC besitzt einen mitlaufenden Durchschnittswertrekorder, der Spitzen, Minimum- und Momentanwerte von Spannungen, Strömen und Temperaturen aufzeichnet.

  • Autonomer Betrieb:

Es wurden bereits Firmware und Protokolle angesprochen, die eine Kommunikation, das Ausführen von Befehlen und die Steuerung in Echtzeit erlauben. Ein wirklich gutes Powermanagement-IC muss aber sämtliche Funktionen ohne jeglichen Eingriff des Host-Prozessors ausführen können. Der LTC2978 wird in der Fabrik programmiert. Man kann ihn einfach einsetzen und muss sich anschließend nicht mehr um ihn kümmern.

Diese Funktionen einfach nutzen

Bild 4: Die interaktive grafische Benutzerschnittstelle (GUI) Bild 4: Die interaktive grafische Benutzerschnittstelle (GUI)

Die GUI übersetzt die Befehle in eine Konfigurationsdatei, die in einem EEPROM des Powermanagement-Chips gespeichert ist. Über einen Offline-Modus kann eine Konfigurationsdatei zum Laden entwickelt werden, bevor Hardware aufgebaut wird. Während der Boardentwicklung optimieren die Anwender ihre spezifische Konfiguration interaktiv. Diese kundenspezifische Konfigurationsdatei wird an den Halbleiterhersteller oder den Vertragshersteller geschickt und in das Powermanagement-IC geladen. Damit ist die einwandfreie Funktion gleich beim ersten Einschalten garantiert.Dies ist der Punkt, an dem das grafische Benutzerinterface LTpowerPlay ins Spiel kommt (Bild 4). Über eine anwenderfreundliche interaktive grafische Benutzeroberfläche (GUI) lässt sich ein PC über einen Stecker an das Board anschließen. Das Powermanagementsystem kann vollständig programmiert und gesteuert werden ohne eine einzige Zeile an Code zu schreiben.

Der Autor: Dave Clemans ist als Senior Applications Engineer Mixed Signal Products bei Linear Technology Corporation in Milpitas/USA tätig.

 

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

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