Bild 1: Blockschaltung eines POL

Digitale Point-of-Load-Wandler im Vergleich zu Digital-Managern

Damit man mich nicht falsch versteht, meine Absicht ist recht einfach: Ich möchte genügend Gespür vermitteln, um eine erste Entscheidung zu treffen, die dann weiter detailliert untersucht werden kann. Dies ist nichts anderes, als darüber nachzudenken, wo man in den letzten 24 Stunden gewesen ist, bevor man nach seinen verlorenen Autoschlüsseln sucht. Denn man kann nicht überall gleichzeitig suchen und man möchte seine Chance, die Schlüssel wieder zu finden, erhöhen.

Dazu zeichnen wir zunächst die Diagramme dieser Bausteine, damit wir ihre grundlegenden Unterschiede untersuchen können. Denn manchmal sagt ein Bild mehr als tausend Worte.

 POL mit PMBus

In einem Datenblatt kann ein POL mit PMBus in etwa so beschrieben sein: Zweifach-Ausgang…Abwärts-DC/DC-Controller mit digitalem Power-System-Management. Einiges der Struktur dieser Bausteine erscheint im Namen, aber die grundlegende Form insgesamt ist einigermaßen konsistent (Bild 1).

 Bild 1: Blockschaltung eines POL
Bild 1: Blockschaltung eines POL

Wenn wir eine Trennlinie der Architektur senkrecht durch die Mitte des Bausteins ziehen, enthält die linke Seite die gesamte Logik für den PMBus, Telemetrie, Supervisors und den D/A-Wandler, der den Referenzeingang des POL treibt. Auf der rechten Seite ist der POL-Wandler (point of load). Selbst wenn wir die Funktionen aufteilen, sie befinden sich in einem Gehäuse und werden als ein Baustein gekauft.

Digital-Manager mit POLs

Ein Digital-Manager hat keine Leistungswandlerstufe und ist auf externe POLs angewiesen. Es ist eine Lösung mit mehreren Gehäusen (Bild 2).

 

 

 Bild 2: Digital-Manager mit POLs
Bild 2: Digital-Manager mit POLs

 

 

Der Manager regelt die Ausgangsspannung, Strombegrenzung und misst Ausgangs- und Eingangswerte jedes POLs und handhabt Fehler. Das „POL mit PMBus“-Modell war grundsätzlich an der gestrichelten Linie durchgeschnitten. Typische Digital-Manager managen vier oder acht POLs.

Voraussetzung für das Aufteilen des POL mit PMBus

Die offensichtliche Voraussetzung für das Aufteilen der Funktionen (was wahrlich nichts Neues ist, weil POLs bereits lange vor den Digital-Managern existierten) ist die Unabhängigkeit der Funktionen. Der POL-Markt ist ziemlich groß und fragmentiert und unterstützt eine Vielzahl an unterschiedlichen Lösungen. Man denkt oft an POLs als Schaltregler (SMPS), wie einen Abwärtsregler, aber LDOs sind ebenso einfach regelbar und beobachtbar. Deshalb erzeugt die Aufteilung der Funktionen eine sehr große Anzahl von Schaltungskombinationen.

Auf der anderen Seite kann ein POL mit PMBus weniger Kosten pro Kanal verursachen, weil die Gehäusekosten signifikant sind. Da er keine Pins zwischen den Managementfunktionen und den POLs benötigt, erlauben mehr Steuerleitungen einen größeren Funktionsumfang und höhere Integrationsdichte. Die Leistungsfähigkeit wird in mehreren Dimensionen ebenfalls höher sein, als die einer aufgeteilten Lösung.

Dies ist ein klassischer Fall von Leistung oder Flexibilität. Für große Multi-Rail-Lösungen muss ein allgemeines Optimum jedoch nicht diesem simplen Kompromiss folgen. Deshalb untersuchen wir weiter…

 Schaltungsauswahl

Mein Vorschlag ist es, immer zuerst POLs mit PMBus zu betrachten. Diese POLs tendieren dazu, die Anforderungen bestimmter Märkte zu adressieren und wenn die eigene Anwendung in eine dieser Nischen passt, dann kann man von der hohen Integration, Einfachheit und Leistungsfähigkeit profitieren. Wenn die Anforderungen jedoch nicht passen, dann sollte man die Digital-Manager betrachten. Dazu einige Beispiele.

Beispiel 1:

Angenommen, die Schaltung benötigt die folgenden Versorgungspegel (rails):

1 V/ 20 A;

3,3 V / 8 A;

5 V / 5 A.

Dann werden ein Zweifach-POL mit PMBus und ein Einfach-POL mit PMBus bei diesen Leistungspegeln gut arbeiten. Bausteine wie der LTC3880 und LTC3883 eignen sich gut für diese und höhere Leistungspegel.

Beispiel 2:

1 V/40 A;

5 V/ 100 mA;

3,3 V/ 10 A;

3,3 V/ 200 mA (rauscharm).

In diesem Beispiel gibt es große Unterschiede in den Leistungspegeln und eine der 3,3-V-Rails muss rauscharm sein. Diese rauscharme 3,3-V-Rail rechtfertigt einen LDO. Angenommen, die 5-V-Rail eignet sich nicht gut für den POL mit PMBus. Man kann ihn zwar einsetzen, aber man bezahlt viel zu viel für den Baustein, oder der Platzbedarf auf der Leiterplatte wird zu groß. Vielleicht hat man für die 1-V- und 3,3-V-Rails mit höherer Leistung auf existierende Lösungen vertraut. Ein Digital-Manager wie der LTc2974 und vier POLs wären dafür eine gute Lösung.

Komplexes Beispiel

Was aber ist bei Systemen mit vielen Rails? Wenn es eine große Zahl Rails gibt, dann ist der Unterschied, dass manche Rails wie in Beispiel 1 und andere wie in Beispiel 2 behandelt werden sollten. Die gute Nachricht dabei ist, dass beide Designs denselben PMBus verwenden, so dass aus Sicht der Firmware die Schaltung nur wie ein PMBus mit einer Menge an Rails aussieht.

Gutes Zusammenspiel sichern

Damit diese unterschiedlichen Design-Strukturen auch gut zusammenspielen, ist es hilfreich, Bausteine einzusetzen, die eine konsistente Methode bei der Konfiguration, Sequenzierung, Fehlermanagement und Stromverteilung haben. Nicht alle Lieferanten verwenden einen konsistenten Satz an Mechanismen, deshalb sollte man auf die folgende Liste schauen.

Diese Punkte helfen bei der Auswahl:

  • Ein gemeinsamer Takt, so dass alle Bausteine mit derselben internen Taktrate laufen
  • Ein Synchronisierungsmechanismus, so dass alle Bausteine dieselbe Zeit „Null“ haben.
  • Ein gemeinsamer Fehlerbehandlungsmechanismus, so dass alle Bausteine wissen, wann ein Fehler eintritt.
  • Ein gemeinsamer Start/Run/Reset-Mechanismus, so dass alle Bauteile gleichzeitig starten.
  • Eine konsistente Methode für die Stromaufteilung.
  • Ein gemeinsamer Alarm-Pin, so dass der PMBus-Host weiß, wenn eine der Rails fehlerhaft ist.
  • Ein gemeinsamer PMBus, so dass der PMBus-Host alle Rails regeln kann.
  • Ein einziges Konfigurationswerkzeug, so dass alle Rails auf einem Display gemanagt werden.

Die PMBus-Spezifikationen enthalten jedoch nicht die ersten fünf Punkte dieser Liste und auch nicht den letzten Punkt und De-facto-Standards existieren nicht. Das bedeutet, man muss vorsichtig sein, wenn man Bausteine von verschiedenen Lieferanten zusammen einsetzt und aufeinander abstimmt. Tatsächlich kann man in vielen Fällen selbst die Bausteine von einem Hersteller nicht „mischen“ und aufeinander abstimmen, so dass man diese Liste vorher bei jedem Produktportfolio vergleichen muss, bevor man sich auf zu viele Ressourcen festlegt.

Hinweis: es gibt einen Widerspruch: wenn man die POLs mit PMBus eines Herstellers verwendet und den Digital-Manager desselben Herstellers, ist es ziemlich einfach, POLs von jedem anderen Hersteller zu integrieren. Der Digital-Manager erlaubt es einem nahezu alle Bausteine mit einem Rückkopplungspin einzubinden. So ist man niemals gefangen. Aus diesem Grund ist es langfristig hilfreich, mit einem Hersteller zu beginnen, der eine geeignete Produktfamilie von Digital-Managern hat, wenn man seine POLs mit PMBus einsetzt.

Abschluss

Ich habe zwei typische Designs zur Auswahl präsentiert, einen POL mit hinzu gefügtem PMBus und einen Digital-Manager, der mehrere POLs steuern kann. Diese grundlegenden Designs können in größeren Systemen auch miteinander gemischt werden. Kompromisse betreffen die natürliche Aufteilung der Funktionen, so dass POLs mit PMBus optimiert für Marktnischen sind und sehr gut arbeiten, aber Digital-Manager eine große Flexibilität bieten.

Diese Flexibilität ist nicht notwendigerweise teurer oder preiswerter, weil die Gesamtkosten davon abhängen, welche POLs mit ihnen zusammen verwendet werden. Systeme, die mit einem Design aufgebaut sind, aber auch eine gemischte Schaltung, profitieren von einer konsistenten Strategie zur Synchronisierung und Behandlung von Fehlern, die nicht vom PMBus selbst abgedeckt werden. Einen guten Digital-Manager zu haben bedeutet, dass man die Bauteile von verschiedenen Herstellern beliebig miteinander kombinieren kann.

Das Resultat ist:

  •  POLs mit PMBus, Digital-Manager und traditionelle POLs sind die Funktionsblöcke des Systems.
  •  Konsistente Mechanismen vereinfachen die Integration wesentlich, besonders das Sequenzieren und die Fehlerlogik.
  •  Gute Digital-Manager erlauben die Integration von beliebigen POLs, einschließlich LDOs.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.