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Spannungsüberwachung Verteilte Stromversorgungen via PMBus steuern und überwachen

Autor / Redakteur: Roland Sandfuchs* / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Um einen zuverlässigen Dauerbetrieb komplexer Stromversorgungssysteme sicherzustellen, müssen Betriebsspannungen und Ströme permanent überwacht und Fehlfunktionen frühzeitig gemeldet werden. Mit intelligenten DC/DC-Wandlern und entsprechenden Überwachungsschaltungen lassen sich verteilte Stromversorgungen komplexer Systeme über den PMBus steuern und überwachen.

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Zentrale Steuerung verteilter Spannungsregler über den PMBus
Zentrale Steuerung verteilter Spannungsregler über den PMBus
( Archiv: Vogel Business Media )

Seit Beginn des Mikrocontrollerzeitalters werden spezielle ICs zur Spannungsüberwachung eingesetzt. Diese melden den Zustand der Versorgungsleitungen an den Systemprozessor. Solange die Spannungen den sicheren Betrieb nicht gewährleisten können, wird das System im Reset-Zustand gehalten oder es meldet dem Benutzer beispielsweise den schwachen Zustand der Batterie.

Im Laufe der Zeit wurden die Systeme immer komplexer, sodass die Anforderungen an die Stromversorgungen deutlich höher wurden. So müssen mehrere Betriebsspannungen überwacht sowie Ein- und Ausschaltsequenzen gesteuert werden. Dafür sind bei Maxim bereits zahlreiche Bausteine verfügbar – bis hin zum flexiblen, EEPROM-programmierbaren MAX6876.

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In modernen Systemen kommen häufig weitere Anforderungen hinzu, z. B. Fehlerüberwachung und Kommunikationsfähigkeit sowie bei mobilen Geräten das Steuern und Überwachen eines Akkuladers. Für das Power-Management solcher Systeme wird immer häufiger ein eigener Mikrocontroller eingesetzt.

Unter Federführung von Intel und Duracell entstand 1996 der System Management Bus (SMBus), die heutige Standardschnittstelle zwischen Akku-Überwachungschip, Ladecontroller und Stromversorgung in Notebookcomputern.

Ab Windows 2000 wird der SMBus über die ACPI-Spezifikation von Intel bedient und erlaubt damit dem Betriebssystem einen direkten Zugriff auf das Power-Management. Der SMBus basiert auf dem bekannten I2C-Interface (Bild 1).

Auch in Industriesystemen, Servern und Telekommunikationssystemen wurden schon früh digitale Überwachungsschaltungen eingesetzt. Der Wunsch nach einer standardisierten Schnittstelle führte 2004 zur Entwicklung des Power Management Bus (PMBus). Dieser benutzt die gleiche physikalische Schnittstelle wie der SMBus, erweitert um eine umfangreiche Kommandoschicht, ausgelegt zur Steuerung und Überwachung von Stromversorgungssubsystemen. Im März 2005 wurde schließlich die Version 1.0 des PMBus’ publiziert. Mittlerweile gehören mehr als 30 Mitglieder der PMBus Special Interest Group an (www.pmbus.org).

Wächter für DC/DC-Wandler

Unter dem Markenzeichen PowerMind hat Maxim eine Familie intelligenter DC/DC-Wandler-ICs und Überwachungsschaltungen vorgestellt, mit denen sich die Stromversorgungen komplexer Systeme zu steuern und zu überwachen lassen. Eine zentrale Rolle nimmt dabei der MAX8688 ein, ein PMBus-gesteuerter Point-of-Load-Controller mit integrierten Präzisions-A/D- und D/A-Wandlern, Spannungsreferenz sowie einem Temperatursensor.

Der MAX8688 wird einem beliebigen DC/DC-Wandler zur Seite gestellt. Über die Spannungsmesseingänge RS+ und RS- misst er die exakte Spannung direkt an der Last. Zur Bestimmung des aktuellen Laststroms dienen die Leitungen ISN+ und ISN- welche den Spannungsabfall über einen externen Strommesswiderstand erfassen.

Der DACOUT des MAX8688 steuert über den Referenzeingang des externen DC/DC-Wandlers dessen Ausgangsspannung. Der integrierte Mikrocontroller ist mit einer festen Werkssoftware ausgestattet. Über einen Satz von Registern wird das System konfiguriert und gesteuert (Bild 2). Nach dem Systemstart werden diese Register über den PMBus geladen, woraufhin der MAX8688 den angeschlossenen DC/DC-Wandler mit der gewünschten Verzögerung und Einschaltgeschwindigkeit auf den eingestellten Sollwert fährt.

Dank der Präzision der eingebauten Spannungsreferenz und der Wandler ist dies mit einer Genauigkeit von 0,2% möglich. Gleichzeitig werden Grenzwerte für Über- und Unterspannung, Überstrom sowie Temperatur gesetzt, bei deren Überschreitung ohne weiteres Zutun ein Alarm gemeldet wird. Über den PMBus lassen sich ständig die aktuellen Spannungs-, Strom- und Temperaturwerte abfragen, sodass jederzeit der aktuelle Zustand des Systems überwacht werden kann. Insbesondere bei Systemen, die ohne jede Unterbrechung aktiv sein müssen, z.B. Server oder Telekommunikationssysteme, lassen sich auf diese Weise frühzeitig bevorstehende Ausfälle feststellen und entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten.

Unabhängiger Betrieb

Alternativ zur beschriebenen Steuerung über den PMBus lässt sich der MAX8688 auch autonom betreiben. Dazu werden die Pins A1 und A2 mit einem seriellen EEPROM verbunden, das die Konfigurationsdaten enthält. Beim Start des Systems werden die Daten in den MAX8688 geladen, der dann ohne weiteres Zutun seine vorgesehene Funktion ausführt (Bild 3).

Dies alles ist möglich, ohne dass ein Programm geschrieben werden muss. Maxim bietet eine kostenlose Software, die es ermöglicht, über eine grafische Benutzeroberfläche binnen Minuten selbst große System zu konfigurieren und die Konfiguration in ein EEPROM oder seriell über den PMBus in den MAX8688 zu laden. Dies erlaubt den Fernzugriff auf Stromversorgungssysteme, wodurch teurer Hardwareaustausch oder Stillstandszeiten vermieden werden können. Durch die feine Auflösung von Strom und Spannungsmessung ist auch das genaue Verteilen der Last bei parallelgeschalteten Speisungen möglich. Der Baustein kann auf 127 unterschiedliche Adressen eingestellt werden, sodasss auch größere Systeme realisierbar sind.

Wie erwähnt lässt sich der MAX8688 sehr universell mit fast allen am Markt befindlichen DC/DC-Wandlern kombinieren. Maxim bietet zahlreiche geeignete Bausteine an. Die Palette reicht vom einfachen 1-A-Regler bis zum MAX8659, der mit den integrierten Schaltern bis zu 25 A liefern kann. Über die Parallelschaltung acht solcher Bausteinen lassen sich Speisungen mit bis zu 200 A in hocher Genauigkeit auf kleinem Raum realisieren (Bild 4).

*Dipl. El. Ing. ETH Roland Sandfuchs ist Field Application Engineer bei Maxim Integrated Products Switzerland in Glattbrugg

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