Abstrakt
Prozessoren, FPGAs, DSPs und andere Geräte verfügen über mehrere Versorgungsspannungen, die in der richtigen Reihenfolge und mit den korrekten Raten hoch- und heruntergefahren werden müssen, um Verriegelungen, Funktionsstörungen oder gar Schäden zu vermeiden. Digital gesteuerte DC/DC-Wandler am Lastpunkt werden häufig eingesetzt, um die Versorgungsspannungen per Firmware oder über einen Kommunikationsbus entsprechend zu sequenzieren und zu takten. Dieser Artikel beschreibt die typischen Vorgehensweisen.
Artikel
Die Stromversorgung von integrierten Schaltungen (ICs) wie Prozessoren, FPGAs, DSPs, ASICs und DDR-RAM ist komplex. Üblicherweise werden mehrere Versorgungsspannungen mit unterschiedlichen Spannungen benötigt, von 3,3 V bis unter 1 V. Jede dieser Spannungen muss sowohl statisch als auch dynamisch bei Lastschwankungen und Umgebungsänderungen stabil sein, insbesondere bei abrupten Stromsprüngen zwischen Schlaf- und Aktivmodus. Die Spannung muss gegebenenfalls aktiv geregelt werden, beispielsweise durch adaptive Spannungsskalierung zur Minimierung des Stromverbrauchs in Abhängigkeit von der Prozessorlast oder durch Ausloten der Funktionsgrenzen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Spannungsverlauf beim Ein- und Ausschalten, insbesondere hinsichtlich Sequenz, Anstiegsgeschwindigkeit und Verzögerung nach einem Aktivierungs-/Deaktivierungsbefehl. Fehlerhafte Anpassungen können verschiedene Gefahren bergen. Eine einfache Einschränkung ist der Einschaltstrom: Der IC nimmt oft einen Spitzenstrom auf, der ein Vielfaches des normalen Betriebsstroms beträgt, während interne Kapazitäten geladen werden und sich die Logik stabilisiert. Jede Schiene verfügt zudem über externe Kapazitäten, typischerweise mehrere hundert Mikrofarad, um im Normalbetrieb kurzzeitige Energie bereitzustellen – diese Kapazitäten sind jedoch zu Beginn entladen und tragen zum Einschaltstrom bei. Steigen alle Schienen gleichzeitig an, kann die vorgelagerte gemeinsame Versorgung durch den hohen Anlaufstrom überlastet werden und in den Strombegrenzungsmodus wechseln, wodurch ihre Spannung reduziert wird. Dann besteht die Gefahr, dass die Spannungen der einzelnen Schienenregler beim Anlauf absinken, was zu einem nicht-monotonen Spannungsanstieg führt und den korrekten Start des ICs verhindert. Durch die Sequenzierung der Schienen wird die Einschaltenergie zeitlich verteilt, sodass die Spitzenbelastung der vorgelagerten Stromversorgung geringer ist. Bei unkontrolliertem Anstieg der Versorgungsspannungen besteht zudem die Möglichkeit kurzzeitiger interner Buskonflikte, während sich die Vorspannung des Tri-State-Puffers stabilisiert, was wiederum eine korrekte Initialisierung verhindern kann. Ein heimtückischeres Problem kann auftreten, wenn Substrat- oder ESD-Schutzdioden durch falsche Sequenzierung in Durchlassrichtung vorgespannt werden. Wenn die 2,5-V-Schiene in Abbildung 1, Wenn beispielsweise die 3,3-V-Schiene angesteuert wird, würde die ESD-Schutzdiode D1 Strom in den Kondensator C1 auf der 3,3-V-Schiene leiten und die Diode möglicherweise beschädigen. Diese Vorspannung auf der 3,3-V-Schiene könnte auch Startprobleme für den 3,3-V-Regler verursachen. Selbst bei korrekter Sequenzierung legen IC-Hersteller häufig maximale und minimale Anstiegs- und Abfallraten für die Versorgungsspannungen beim Ein- und Ausschalten fest, um einen korrekten Betrieb zu gewährleisten.
Abbildung 1: ESD-Dioden bieten beim Start einen ‘unbeabsichtigten’ Strompfad.
Moderne Point-of-Load-Regler (PoL-Regler) sind speziell für die Erzeugung der benötigten Versorgungsspannungen ausgelegt, und die meisten neueren Typen verfügen über eine digitale Steuerung – wodurch sie sowohl in der Firmware als auch per Fernzugriff, typischerweise über eine Schnittstelle, programmierbar sind.2C PMBus-Anschluss. Neben umfassender Überwachung lassen sich Ausgangsspannung, Anlaufverzögerung und Anstiegsgeschwindigkeit einstellen. Die Geräte verfügen mindestens über einen Enable-Pin, der die Sequenzierung unter externer oder zeitbasierter Steuerung ermöglicht. Darüber hinaus sind intelligentere Modi wie ereignisbasierte Steuerung, GCB-Steuerung (General Communication Bus) und Spannungsnachführung möglich.
Zeitbasierte Sequenzierung
Das wohl einfachste Verfahren, die zeitbasierte Sequenzierung, nutzt vorprogrammierte Start-/Abschaltverzögerungen und Anstiegs-/Abfallraten in einzelnen PoL-Wandlern. Eine gemeinsame Freigabe- oder Steuerleitung initiiert die Sequenz für alle Wandler. Die Genauigkeit der Zeitsteuerung hängt von den Spezifikationen der einzelnen Wandler ab, und es muss ausreichend Spielraum eingeplant werden, um die korrekte Sequenz stets zu gewährleisten. Hersteller digitaler PoL-Wandler bieten häufig Software zur Vorkonfiguration ihrer Wandler mit den gewählten Zeiteinstellungen an, die anschließend in der Firmware fixiert werden. Die grafische Benutzeroberfläche der Software zeigt die programmierten Werte in der Regel grafisch an.Abbildung 2).
Abbildung 2: Typische grafische Ausgabe der PoL-Designsoftware für zeitbasierte Sequenzierung (FPD)
Ereignisbasierte Sequenzierung
Dieses Schema gewährleistet eine strikte Start-/Abschaltsequenz, indem es das ‘Power Good’-Signal eines Controller-Wandlers mit dem Freigabeeingang des nächsten verbindet, der wiederum einen weiteren Wandler aktiviert (Abbildung 3Anstiegs- und Abfallzeiten sowie Start-/Abschaltverzögerungen sind, wie beim zeitbasierten Verfahren, in jedem Umrichter vorprogrammiert. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Sequenz fest verdrahtet ist und Hardwareänderungen erforderlich wären, um die Reihenfolge zu ändern.
Abbildung 3: Ereignisbasierte Sequenzierung
GCB-Sequenzierung
Für ein hohes Maß an Flexibilität kann die GCB-Sequenzierung verwendet werden.. Hier kann jeder PoL-Wandler über einen dedizierten seriellen Kommunikationsbus mit anderen Wandlern einer Gruppe kommunizieren, um beliebige programmierte Sequenzen und Timings festzulegen. Diese können anschließend ohne Hardwareänderungen über PMBus-Befehle angepasst werden. Die Enable-Pins der Geräte können parallel geschaltet werden, um einen gemeinsamen Start-/Stopp-Befehl entweder über ein CTRL-Signal oder per PMBus-Steuerung zu geben. Bis zu 32 PoL-Wandler lassen sich auf diese Weise verbinden und decken somit alle realistischen Szenarien ab. Dies ermöglicht zusätzlich die gleichzeitige Nutzung von Funktionen wie Fehlerverteilung, Phasenaddition/-abschaltung, Broadcast-Marge und Broadcast-Aktivierung sowie die Überwachung von Temperatur, Laststrom und auftretenden Fehlern.
Spannungsverfolgung
Manchmal ist der relative Wert der Ein- und Ausschaltspannungen von ICs wichtig, wobei die Unterschiede zwischen den Versorgungsspannungen und nicht die absoluten Werte im Vordergrund stehen. Dies wird durch einen Spannungsnachführungsmodus gelöst, bei dem die Ausgangsspannung eines Controller-Wandlers, typischerweise die höchste Spannung, als Regelungsreferenz für andere in einer Gruppe dient (Abbildung 4). Die Regler- und Sollspannungen sind nun synchronisiert, und die Anstiegs- und Abfallzeiten werden vom Regler vorgegeben. Soll der Sollwert ein fester Bruchteil der Reglerausgangsspannung sein (sogenanntes Ratio-Metric-Tracking), lässt sich dies einfach mit einem Spannungsteiler realisieren, der vom Reglerausgang zum Zielverfolgungs-Steuereingang führt. Die PoL-Wandler müssen mit einem VTRACK-Eingang ausgestattet sein, um die Ausgangsspannung direkt zu steuern.
Abbildung 4: PoL-Wandler im Tracking-Modus
Alle Sequenzierungsmodi mit Steuerung von Verzögerungen und Spannungsanstiegsraten werden durch die moderne digitale PoL mit ihrer umfassenden Flexibilität und Programmierbarkeit ermöglicht. Unternehmen wie Flex Power Modules sind technologisch führend und bieten eine breite Palette an PoL-Produkten an. Flex Power Designer-Software und eine intuitive grafische Benutzeroberfläche, die die Einrichtung und Simulation der Leistung vereinfacht, mit automatischer Regelprüfung, um sicherzustellen, dass gültige Parameter eingestellt wurden.
Hinweis: Die in diesem Artikel verwendeten Begriffe “Master” und “Slave” wurden durch “Controller” und “Target” ersetzt.