Verwendung programmierbarer Leistungsmodule zur Beschleunigung des Designs von DC/DC-Reglern

Schaltende DC-DC-Spannungsregler bringen hohe Effizienz in Stromversorgungen. Es gibt zwar eine große Auswahl an hochwertigen monolithischen Reglern, aber jeder einzelne ist so konzipiert, dass er den Anforderungen einer Reihe von Anwendungen gerecht wird und nicht den einzigartigen Spezifikationen des eigenen Entwurfs eines Ingenieurs entspricht. Alternativ erfordert die Optimierung der Stromversorgung für eine bestimmte Anwendung zeitaufwändige und teure Design-Iterationen.

Was Designer benötigen, ist eine webbasierte Schnittstelle zu einem Stromversorgungsanbieter, die es ihnen ermöglicht, ihr Stromversorgungsdesign mit den gewünschten Leistungsparametern zu konfigurieren - und es dann in großen Mengen versenden zu lassen, sobald das Design eingefroren ist.

Dieser Artikel beschreibt einen solchen Entwurfsprozess bei der Verwendung konfigurierbarer Leistungsmodule. Insbesondere wird in dem Artikel beschrieben, wie das MPS'Evaluation Kit (EK) und webbasierte Software verwendet werden können, um den Designprozess für ein einfaches oder fortgeschritteneres DC/DC-Wandler-Design zu beschleunigen.

Erste Schritte beim Entwurf von DC-DC-Wandlern

Es ist durchaus möglich, einen Step-down-Schaltspannungsregler (Buck) von Grund auf und mit relativ wenigen Bauteilen zu entwerfen. Beispielsweise besteht ein Grunddesign aus einem Transistor - der im Wesentlichen als Schaltdiode verwendet wird -, einer Induktivität, einem Kondensator am Ausgang und einem weiteren am Eingang. Für eine praktische Lösung werden jedoch wahrscheinlich mehrere zusätzliche Elemente erforderlich sein, darunter eine Spannungsreferenz, ein Fehlerverstärker, ein Komparator, ein Oszillator und ein Schaltertreiber. Aber nur wenige Ingenieure entscheiden sich dafür, den Weg des Entwurfs von diskreten Komponenten zu gehen, weil es eine so große Auswahl an bewährten und kostengünstigen hochintegrierten monolithischen DC/DC-Spannungsreglern gibt.

Oft ist es einfacher, einen Regler von einem etablierten Anbieter auf der Grundlage der Anforderungen der Spezifikation wie Eingangs- und Ausgangsspannung, maximaler Laststrom und maximale Spannungswelligkeit auszuwählen, wobei Faktoren wie Wirkungsgrad, Einschwingverhalten und Frequenzgang bei fortgeschrittenen Designs ins Spiel kommen. Die Chiphersteller bieten zwar eine beeindruckende Palette von Lösungen an, die die meisten Teile der Spezifikation erfüllen, aber es ist für sie unmöglich, ein perfekt auf alle Eventualitäten abgestimmtes Gerät zu liefern. Das lässt dem Designer noch einiges an Arbeit vor sich.

Der Arbeitsaufwand hängt vom Integrationsgrad der monolithischen Lösung ab, aber ein typischer Ausgangspunkt für ein Niedrigstromdesign (unter 10 Ampere (A)) ist ein Chip, der den Pulsweitenmodulations- (PWM-) Controller, Schaltelemente (MOSFET-Leistungstransistoren) und die Bypass-Diode(n) integriert, wobei es dem Entwickler überlassen bleibt, die externe Induktivität, Bypass-Kondensatoren und andere passive Komponenten zu spezifizieren, die für Eingangs- und Ausgangsfilterschaltungen erforderlich sind.

Obwohl es viele Informationen von Herstellern und anderen Quellen (einschließlich der Liste der empfohlenen Lektüre weiter unten) darüber gibt, wie man ein Netzteil auf der Basis eines monolithischen Reglers entwirft, ist es immer noch ein kniffliger und mühsamer Prozess, der eine Berechnung und dann mehrere Zyklen von Hardware-Prototypen umfasst, um zu sehen, wie die theoretische Schaltung in der Praxis funktioniert, und dann die Anpassung an die genaue Einhaltung der Spezifikation vorzunehmen.

MPS bietet mit seinen konfigurierbaren Leistungsmodulen einen alternativen Weg zu diesem zeitaufwändigen Stromversorgungs-Design-Prozess.

Einführung in konfigurierbare Leistungsmodule

Das Herzstück des konfigurierbaren Leistungsmoduls MPS mEZDPD3603A ist ein hochfrequenter, synchroner, gleichgerichteter Abwärtsregler mit einer I²C-Steuerschnittstelle, einem mehrseitigen, einmalig programmierbaren (OTP) ROM-Speicher und einer Dauerausgangsstromfähigkeit von 3 A. Der Wandler integriert High-Side- und Low-Side-Leistungs-MOSFETs, Kompensationsnetzwerke und einen Rückkopplungsteiler. Ausgangsspannungspegel, Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, Schaltfrequenz, Freigabe und Energiesparmodi sind über eine I²C-Schnittstelle programmierbar, so dass der Konstrukteur jeden Ausgang für sein spezielles Design optimieren kann.

Der Strommodus-Betrieb ermöglicht ein schnelles Einschwingen und erleichtert die Schleifenstabilisierung. Zu den Vollschutzfunktionen gehören Unterspannungssperre (UVLO), Überspannungsschutz (OVP), Überstromschutz (OCP) und Übertemperaturschutz (OTP).

Das Modul mEZDPD3603A erweitert diesen Abwärtswandler um fast alle Peripheriekomponenten, die für ein funktionsfähiges Design erforderlich sind (Abbildung 1).

<Abbildung 1: Interner Schaltplan des MPS mEZDPD3603A-Moduls. Der Konstrukteur muss nur noch die Werte der Eingangs- (C_IN) und Ausgangskondensatoren (C_OUT) angeben. (Bildquelle: MPS)

Um das Design einer voll funktionsfähigen DC-DC-Abwärtsregler-Stromversorgung zu vervollständigen, muss der Entwickler lediglich die Eingangs- (C_IN) und Ausgangskondensatoren (C_OUT) hinzufügen. Wenn man von Grund auf neu entwirft, ist die Berechnung des Wertes dieser Kondensatoren nicht einfach und wird von Ausgangsspannung, Last, Tastverhältnis und Spannungswelligkeit beeinflusst (siehe DigiKey-Fachartikel. "Kondensatorauswahl ist der Schlüssel zum Design eines guten Spannungsreglers"). Aber im Falle des MPS-Moduls hat der Hersteller die Werte für den Konstrukteur berechnet. Die endgültige Auswahl wird nur von der Ausgangsspannung beeinflusst (Abbildung 2 und Tabelle 1).

Abbildung 2: In einer typischen Anwendungsschaltung des MPS mEZDPD3603A wird R2 zur Einstellung der I²C-Adresse verwendet, um die Identifizierung mehrerer Module in einem System zu ermöglichen. (Bildquelle: MPS)

Tabelle 1: Empfohlene Kondensatorwerte sind für die Anwendungsschaltung von Abbildung 2 für verschiedene Ausgangsspannungen angegeben. (Bildquelle: MPS)

Wenn das Netzteil in einem Produkt eingesetzt werden soll, das strengen Vorschriften für elektromagnetische Interferenz (EMI) unterliegt, kann der Eingangskondensator durch eine L-C-Filterschaltung aus drei Kondensatoren und einer Induktivität ersetzt werden. (Weitere Informationen zum Entwurf von Eingangs- und Ausgangsfilterschaltungen finden Sie im DigiKey-Fachartikel "Niedrig-EMI-Schaltregler zur Optimierung von hocheffizienten Leistungsentwürfen verwenden"). Der Wert dieser Komponenten hängt wiederum von der Ausgangsspannung ab, und auch hier hat der Hersteller die Antworten gegeben. (Abbildung 3 und Tabelle 2).

Abbildung 3: MPS mEZDPD3603A Anwendungsschaltung mit EMI-Filterung für die Norm EN55022 Klasse B. (Bildquelle: MPS)

Tabelle 2: Empfohlene Komponentenwerte für obige Anwendungsschaltung für verschiedene Ausgangsspannungen. (Bildquelle: MPS)

Das Modul bietet einen Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 36 Volt mit einem Ausgang von 0,6 bis 12 Volt. Die Spannungsgenauigkeit beträgt ±1% und die Netz- und Lastregelung (V_IN = 24 Volt, V_OUT = 5 Volt) beträgt ±1%. Der maximale Strom beträgt bis zu 3 A und die Welligkeit der Ausgangsspannung (V_IN = 24 Volt, V_OUT = 5 Volt, Volllast) beträgt 30 Millivolt (mV). Tabelle 3 fasst die Leistungs- und Effizienzzahlen des Moduls zusammen, während V_OUT für verschiedene Effizienz- und Laststromwerte in Abbildung 4 dargestellt ist.

Tabelle 3: MPS mEZDPD3603A Leistungsparameter. (Bildquelle: MPS)

Abbildung 4: MPS mEZDPD3603A-Wirkungsgradwerte für V_IN = 24 Volt und V_OUT = 3,3, 5 und 12 Volt. (Bildquelle: MPS)

Konfigurierbares Leistungsmodul-Evaluierungskit

Da das MPS-Modul eine digitale Logikschaltung enthält, kann seine Betriebsleistung durch Änderung der Softwareparameter geändert werden. Der Zugriff auf die Parameter erfolgt über die Schnittstelle I²C des Moduls, von wo aus die Einstellungen im RAM des Geräts abgefragt und geändert werden können. Sobald die gewünschte optimale Einstellung erreicht ist, können die Einstellungen im OTP-ROM-Speicher dauerhaft gespeichert werden.

MPS bietet Hardware- und Software-Tools zur Unterstützung des Designs mit den konfigurierbaren Leistungsmodulen. Das Hauptwerkzeug ist die PKT-MEZDPD3603A Hardware EK. Der EK misst 64 x 64 Millimeter (mm) und umfasst Eingangs- und Ausgangskondensatoren (und einen optionalen EMI-Filter, falls erforderlich) sowie einen Steckverbinder, in den das konfigurierbare Leistungsmodul eingesteckt wird. Sobald das Modul angeschlossen ist, muss eine geeignete Last und ein Netzteil, das die gewünschte Eingangsspannung (zwischen 4,5 und 36 Volt) liefert, an den EK angeschlossen werden (Abbildung 5).

<Abbildung 5: Das konfigurierbare Power-Modul-Evaluierungskit enthält einen Sockel für das Modul und erfordert eine externe Stromversorgung und Last. (Bildquelle: MPS)

Der EK erfordert auch eine Verbindung zu einem PC, um die Konfiguration mit der Software Virtual Bench V3.0 von MPS zu ermöglichen. Das Unternehmen stellt zu diesem Zweck einen USB (PC-seitig) auf I²C (EK-seitig) Dongle zur Verfügung. Ein USB-Kabel verbindet den Dongle mit dem PC und ein 10-poliges Flachbandkabel erledigt die Arbeit auf der anderen Seite. Die Schnittstelle I²C des EK wird direkt an die Pins I²C des Moduls angeschlossen und ermöglicht die Konfiguration vom PC aus (Abbildung 6).

Abbildung 6: Das konfigurierbare Leistungsmodul EK benötigt einen Dongle zur Stromversorgung, Last und Verbindung mit einem PC über einen USB to I²C Dongle. (Bildquelle: MPS)

Programmierung des Leistungsmoduls

Sobald die Hardware an den PC (mit Windows XP, 7 oder höher) angeschlossen und Virtual Bench V3.0 auf dem Computer installiert und gestartet ist, werden dem Entwickler zwei Optionen angeboten: "Simulation &Amp; Programm" (die es ermöglicht, die Konfiguration des Entwicklers auf einem Softwaresimulator statt auf der EK-Hardware laufen zu lassen) und "Direkter Programmiermodus". Die folgende Diskussion konzentriert sich auf die Option der direkten Programmierung, da sie dem Entwickler die direkte Konfiguration des Moduls als Herzstück der EK-Hardware ermöglicht.

Ab Virtual Bench V3.0 sind zwei Arten von Konfigurationen verfügbar: Basic und Advanced. In der Grundkonfiguration kann der Entwickler die vorhandenen Einstellungen für die Ausgangsspannung (Volt), den Induktivitätswert (in Mikrohenry (µH)), die Schaltfrequenz (in Kilohertz (kHz)) und die Betriebsart (z.B. Spitzenstrombetrieb) ablesen. Der Entwickler kann dann Änderungen an diesen Einstellungen vornehmen, den Arbeitsspeicher des Moduls mit den überarbeiteten Zahlen programmieren und das Modul einschalten, um die Auswirkungen der Änderungen auf seine Leistung zu überprüfen.

In ähnlicher Weise kann der Designer unter der Registerkarte Erweitert die Einstellungen für detailliertere Leistungsparameter unter den folgenden Gruppierungen abfragen und ändern:

• Light-Load-Modus: Die verfügbaren Modi sind Advanced Asynchronous Modulation (AAM) und Forced Continuous Current Mode (CCM). AAM optimiert den Wirkungsgrad des Wandlers unter Schwachlast- oder Leerlaufbedingungen, während das erzwungene CCM die Schaltfrequenz mit einer geringeren Ausgangswelligkeit konstant hält (ist aber unter Schwachlastbedingungen weniger effizient als AAM).
• Kompensation: Diese Einstellungen ändern den Frequenzgang des Reglers, der das Einschwingverhalten, die Präzision und Stabilität des Geräts bestimmt, und damit auch, wie gut er eine eingestellte Ausgangsspannung bei Schwankungen der Eingangsspannung, der Last und des Tastverhältnisses aufrechterhält. Eine gute Kompensation führt zu einer Stromversorgung, die über einen breiten Frequenzbereich stabil ist, aber nicht überkompensiert wird, so dass ihre Dynamik schlecht ist.
• Umschaltung: Diese Einstellungen ändern die Anstiegs- und Abfallraten der Spannung beim Umschalten des Reglers sowie die Frequenzditheringzeit und -amplitude. Anstiegsgeschwindigkeit und Dithering sind beide wichtig für die Minimierung der EMI.
• VIN/EN-Schwelle: Diese Einstellungen bestimmen die Schwellwertgrenzen (und Hysterese) des UVLO- und EN-Betriebs der Eingangsspannung.
• Macht gut: Diese Einstellungen bestimmen die obere und untere Anstiegsschwelle und die Hysterese von "Power good".
• SS Zeit: Einstellung für Softstart. Der Softstart verhindert, dass der Regler beim Einschalten des Ausgangs den Eingang überlastet.
• Schutz: Diese Einstellungen ermöglichen es dem Konstrukteur, Schutzmodi und Schwellenwerte wie Spitzenstrom, OVP und OTP zu implementieren (Abbildung 7).

<Abbildung 7: Die Virtual Bench GUI von MPS beinhaltet eine fortgeschrittene Programmierung des konfigurierbaren Moduls zur Optimierung seiner Leistung, um die Spezifikation des Konstrukteurs zu erfüllen. (Bildquelle: MPS)

Sobald der Designer die besten Einstellungen für die Anwendung ausgewählt hat, werden die Informationen in den eingebauten RAM-Speicher des Moduls geschrieben. Der Entwickler kann dann den EK unter verschiedenen Belastungen laufen lassen, um seine Leistung zu überprüfen. Es ist eine einfache Angelegenheit, die Einstellungen zu ändern und den RAM-Speicher neu zu beschreiben, um die Leistung der Stromversorgung zu optimieren.

Da RAM flüchtig ist, gehen die Einstellungen nach dem Ausschalten des Moduls verloren. Beim Neustart startet das Modul mit den Werkseinstellungen. Es ist möglich, die Informationen im Arbeitsspeicher vor dem Ausschalten zu Virtual Bench zu exportieren, um sie für zukünftige Referenzen zu nutzen.

Wenn die optimalen Einstellungen ermittelt sind, kann der Konstrukteur diese dann in das OTP-ROM programmieren, so dass sie beim Ausschalten erhalten bleiben und beim nächsten Start des Moduls verwendet werden. Der EK erlaubt weiterhin das Experimentieren mit Einstellungen über die Schnittstelle I²C und RAM, aber nach der ersten Verwendung des ROMs können keine weiteren Einstellungen gespeichert werden.

Fazit:

Zwar steht eine breite Palette ausgezeichneter monolithischer Spannungsregler zur Verfügung, doch muss der Entwickler noch viel Arbeit aufwenden, um die Peripherieschaltungen zu entwerfen und zu testen, die die Leistung des Designs für eine bestimmte Anwendung optimieren. Durch die Kombination eines kompletten Hardware-Designs in einem Modul mit programmierbarer digitaler Logik erleichtern und beschleunigen die konfigurierbaren programmierbaren Module von MPS diese Designschleife.

Wie gezeigt, macht ein EK in Kombination mit einer PC-basierten GUI die Konfiguration einfach, und der Konstrukteur kann entweder grundlegende Einstellungen wie Ausgangsspannung oder -strom vornehmen und den Rest bei der Werkseinstellung belassen oder ein fortschrittlicheres Schaltwandlerdesign einsetzen, um EMI und transientes Verhalten zu minimieren und gleichzeitig Stabilität und Effizienz zu maximieren.

Sobald das Design eingefroren ist, können die Produktionsmengen des Moduls unprogrammiert geliefert werden, damit der Kunde aus den Prototypendaten konfigurieren kann, oder, wenn die Konfigurationsinformationen an MPS geliefert werden, können die Module im Werk programmiert und einsatzbereit geliefert werden.

Empfohlene Lektüre

1. Kondensatorauswahl ist der Schlüssel zu einem guten Design des Spannungsreglers.
2. Niedrig-EMI-Schaltregler zur Optimierung hocheffizienter Leistungsentwürfe verwenden.
3. Verständnis der Schaltregler-Regelkreisreaktion.
4. Konstruktion von Kompensatornetzen zur Verbesserung des Frequenzgangs des Schaltreglers.
5. Der Unterschied zwischen kontinuierlichen und diskontinuierlichen Modi des Schaltreglers und warum es wichtig ist.