Grüne Grenze
Integrierte Isolationsstrecke vereinfacht DC/DC-Wandler-Design
DC/DC-Wandler mit Forward- oder Flyback-Topologie benötigen zum Schließen des Regelkreises einen Kommunikationskanal von der sekundären zur primären Transformatorseite. Klassisch wird das mit Optokopplern erledigt, die aber trotz SMD-Gehäuse noch immer etwas unhandlich sind und einige zusätzliche Bauelemente zur Anpassung benötigen. Eine ideale Lösung würde natürlich ohne derartige Koppler auskommen und die notwendige Regelschleife im Controller selbst realisieren. Genau das hat Akros Silicon nun vor kurzem geschafft und als sog. GreenEdge-Technologie in seine PoE- und Converter-ICs eingebaut. Die Isolationsbarriere hat immerhin 2kV Spannungsfestigkeit, mehrere Kommunikationskanäle und ermöglicht elegante Designs mit „grüner“ Effizienz, eine „grüne Grenze“ sozusagen.
GreenEdge™ von Akros Silicon
Für die nächste Generation elektronischer Systeme und Komponenten wird vor allem das Thema Energieeffizienz eine wichtige Rolle spielen und damit rückt neben den Funktionalitäten eines Gerätes die Stromversorgung in den Fokus. Die neue GreenEdge™ 2kV Silizium-Isolationstechnik von Akros Silicon kann dazu einen wichtigen Beitrag leisten, ermöglicht sie doch das Management von Stromversorgungen über isolierte Spannungsdomänen hinweg. GreenEdge bietet auf Siliziumebene einen bidirektionalen, schnellen Datenkanal über eine 2kV Isolationsgrenze zu Regel- und Steuerzwecken in geschalteten Leistungskonvertern, um beispielsweise den primären Schaltregler optimal an die Lastsituation auf der sekundären Seite anzupassen. Zudem ermöglicht es der Kanal, Monitoring-Daten an die sekundäre Seite zu senden und damit ein Remote-Management aufzusetzen sowie Diagnosewerkzeuge anzuwenden.
Aktuelle Power-Wandler-Designs mit galvanischer Trennung nutzen hingegen recht langsame, dabei nicht gerade kleine Optokoppler zwischen der primären Seite (i.d.R. mit hoher Spannung, Netzspannung) und der sekundären Seite (Niederspannung). Durch die Optokoppler werden mögliche Effizienzsteigerungen der primären Schaltregler stark eingeschränkt und erweiterte Features, wie z.B. das Monitoring der primären Last durch Elektronik auf der sekundären Seite ist gar nicht erst möglich.
Erstes Power-SoC mit integrierter 2kV-Isolation
Mit der Integration einer 2kV-Isolationstechnologie namens GreenEdge™ in die Power-SoCs hat Akros Silicon nun mit Bausteinen wie dem AS1454 (DC/DC) bzw. AS1854 (PoE) zum ersten Mal Lösungen vorgestellt, die Optokoppler vollständig überflüssig machen und auf einfache Weise eine bidirektionale Kommunikation zwischen primärer und sekundärer Seite des Wandlers zu Steuer- und Diagnosezwecken erlauben. Die Isolationsbarriere „trennt“ den Chip quasi in 2 Spannungsdomänen und ermöglicht so die unmittelbare Anschaltung peripherer Bauelemente aus dem primären und sekundären Bereich des Transformators. Die Barriere ist recht gut am Chip durch 2 „Pin-Lücken“ zu erkennen, die zur Sicherstellung der gesetzlich vorgeschriebenen Isolationsstrecke notwendig sind.
Durch die massive Vereinfachung der Anschaltung externer Bauelemente kann die BOM stark reduziert werden, je nach Design-Topologie lassen sich nach Angaben von Akros Silicon bis zu 9 separate ICs einsparen und dementsprechend die Kosten für Implementierung und Entwicklung senken.
GPI/Os und ein ADC auf der primären Seite mit vollständiger galvanischer Trennung bieten die Voraussetzung für weitergehende Anwendungen zur Diagnose und Steuerung eines administrierbaren Stromversorgungssystems. Die GPI/Os und die vom ADC erfassten Werte können über eine I2C-Schnittstelle auf der sekundären Seite abgefragt bzw. gesetzt werden, so dass ein Controller oder CPLD Zugang zu den erfassten Größen der Primärseite bekommt. Dies ist nicht nur ein „nice to have“-Feature, sondern vor allem für die PoEplus- Bausteine AS18xx obligatorisch, die dem neuen 802.3at-Standard entsprechen sollen. Dieser sieht vor, über das Link Layer Discovery Protocol (LLDP, 802.3AB) den aktuellen Stromverbrauch sowie weitere Größen der einzelnen PoE-Verbraucher über Ethernet abrufbar zu machen. Diese Forderung lässt sich mit den neuen Akros SoCs recht einfach erfüllen, muss ein Controller mit MAC auf der sekundären Seite diese Daten nun lediglich über I2C abfragen und kann sie nun in die TLV-Struktur eines LLDP-Paketes einbinden.
- Anwendungsdiagramm des PoEplus-Controllers AS1854
AS14xx-Familie für DC/DC-Konverter
Der AS1454 ist ein Vierfach Digital- Power Controller-SoC für Eingangsspannungen von 9.5 bis 72 Volt & 24VoltAC in galvanisch getrennten Wandlern. Durch den Einsatz der GreenEdge-Technologie mit einer Isolationsfestigkeit von 1.5 kVrms oder 2120 VDC benötigen Implementierungen keine Optokoppler und nur ein Minimum an externen Bauteilen. Integrierte synchrone Wandler mit digitaler Schleifen- und Timing-Steuerung sowie galvanischer Isolation auf Siliziumebene bilden ein modernes und kompaktes Power-System mit hoher Wandler-Effizienz und kostensparendem Design. Alle PWM-Steuersignale können mit Spread-Spektrum-Modulation überlagert werden und bieten somit auch im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit eine optimale Plattform.
Mit 2 extern programmierbaren, hochstromfähigen Ausgängen Vout1 und Vout4 sowie 2 internen Buck-Wandlern Vout2 und Vout3 (jeweils 2Arms) empfi ehlt sich der AS1454 besonders für Low-Cost Designs im Bereich bis 50 Watt. Der AS1454 wird im 64-poligen 9 x 9 mm QFN-Gehäuse verpackt, pinkompatibel zu den anderen AS14x4-Typen.
- Vereinfachtes Anwendungsdiagramm für den AS1454. Nur ein Transformator ist notwendig, um 4 geregelte Ausgangsspannungen zu erzeugen
AS18xx-Familie für PoE-Konverter
Erweitert man die Controller der AS14xx Familie um spezifi sche PoE-Funktionalitäten, erhält man ein perfektes Power- Over-Ethernet Subsystem, das auf Basis von 802.3af (PoE) bzw. 802.3at (PoE+) mit geringem Aufwand 4 Versorgungsschienen und Leistungen bis 25,5 Watt darstellen kann. Die niedrigere Leistung im Vergleich zu den AS14xx Controllern begründet sich im PoE Standard.
Die Phantomspeisung mit Spannungen von 36..57 V wird von den Mittenanzapfungen des Ethernet-Übertragers abgenommen und über eine Graetz-Brücke dem primären Schaltregler zugeführt, der mit Schaltfrequenzen von 100..500 kHz arbeitet und auf diese Weise unterschiedliche Transformatoren ansteuern kann. Zudem lässt sich eine lokale Stromversorgung mit Spannungen bis hinunter zu 9.5 V einbinden und damit eine Versorgung über Steckernetzteile ermöglichen, wenn das Ethernet-Device in einem Netz ohne PoE-Unterstützung betrieben wird.
Von seiner Topologie her verwenden die AS18xx Controller den synchronen Sperrwandler (Flyback), mit dem sich Wirkungsgrade über 90% bei vergleichsweise geringen Kosten realisieren lassen. Die PWM-Clocksignale zur Ansteuerung sowohl der primären als auch sekundären Seite sind wahlweise mit SSC modulierbar, um damit eine um etwa 15 dB bessere EMVPerformance zu erzielen. Zusätzlich kann der Wandler aber auch komplett aus einer externen Referenz getaktet werden, wenn es beispielsweise notwendig ist, Störabstrahlungen gezielt aus sensitiven Bereichen der Frequenzachse zu schieben.
- AS14x4 Evalboard mit 1.2V, 1.5V, 3.3V und 5V - Ausgang bei 9.6 .. 36Vin
- Das AS1834 Evalboard liefert 4 Spannungsausgänge mit insgesamt 13 Watt
Übersicht der beiden Controllerfamilien AS14x4 und AS18x4
| Part # | HW Mode | SWI²C Mode | I_out1/4 | I_out2/3 (max, each) | Recommanded Usage |
|---|---|---|---|---|---|
| AS1424 | X | Set Externally | 1.25 A rms | <20W | |
| AS1434 | X | X | Set Externally | 1.25 A rms | <20W |
| AS1444 | X | Set Externally | 2.0 A rms | <50W | |
| AS1454 | X | X | Set Externally | 2.0 A rms | <50W |
| Part # | Type 1 PD | Type 2 PD | Hardware Mode | Software Mode | Pwr In (W) |
|---|---|---|---|---|---|
| AS1824 | X | X | 13 | ||
| AS1834 | X | X | X | 13 | |
| AS1844 | X | X | X | 13/25 | |
| AS1854 | X | X | X | X | 13/25 |
- Die Akros GUI unter Windows zur Darstellung und Steuerung aller Registerwerte
Versionen
Wie bei der AS14xx-Familie bietet Akros auch seine PoE-Controller in 2 Leistungsklassen entsprechend der Unterstützung für 802.3af (13 Watt) und 802.3at (25 Watt) an, dazu gibt es jede Leistung mit Pin- oder Softwaresteuerung über eine I2CSchnittstelle.
Letztere ermöglicht Zugriff auf zahlreiche Register und damit erweiterte Möglichkeiten zum Monitoring und zur Steuerung des Power- Subsystems. So kann beispielsweise Spannung und Strom auf der primären Seite laufend gemessen werden und damit der Leistungs-Input, oder es können alle Versorgungs- Rails zur Realisierung eines Power-Sequencings geschaltet werden.
Akros liefert zu den Bausteinen bzw. Evaluierungsboards der beiden SW-Mode- Typen AS1834 und AS1854 (bzw. AS1434 und AS1454 bei den DC/DC-Wandlern) eine Windows-Anwendung mit übersichtlicher Darstellung und Dokumentation aller Registerwerte.
AS1854 zum “Product of the Year 2009” gekürt
In der aktuellen Januar-Ausgabe des Fachmagazins „Electronic Products“ wurden die Auszeichnungen für besonders innovative Produkte 2009 veröffentlicht. Ingenieure wählten zum 34ten Mal (jährliche Preisverleihung seit 1977!) aus Tausenden in 2009 vorgestellten Neuerungen die Sieger in verschiedenen Kategorien nach Kriterien Innovation, Technologie- oder Anwendungsfortschritt und Verbesserung von Preis/Leistung. Der AS1854 mit seiner neu entwickelten GreenEdge™-Technologie konnte in diesem Jahr die Juroren zur Vergabe der Medaille überzeugen.
