Bei Stromverteilungstopologien auf Platinen basiert das Finden der „optimalen“ Lösung oft auf Erfahrung

Von Ingenieuren wird routinemäßig erwartet, dass sie die „beste“ oder „optimale“ Lösung für ein bestimmtes Problem liefern. Dies ist zwar für einige Situationen möglich, aber sicher nicht für alle. Der Grund ist einfach: Es gibt oft zu viele Parameter, anhand derer Sie beurteilen müssen, was am besten ist. Gibt es einen kritischen, überwältigenden Faktor, oder ist es ein subtiles Gleichgewicht zwischen den vielen verschiedenen Faktoren, das irgendwie auf magische Weise optimiert werden muss?

Seien Sie ehrlich: Beim der technischen Entwicklung geht es nicht nur um Fachwissen bei der Umsetzung des Entwurfs selbst, sondern auch darum, sich durch die vielen Kompromisse zu arbeiten, die jeder Entwurf erfordert. Es kann sehr frustrierend sein, wenn Leute, die nicht an der Entwurfsschleife beteiligt waren, beiläufig frühere Entscheidungen kritisieren, indem sie fragen: „Warum haben Sie dieses oder jenes nicht getan?“. Oder: „Hätten Sie nicht einfach 'x' hinzufügen können?“. Dies sind leicht zu stellende Fragen, wenn man von der Einsicht in die getroffenen Kompromisse weit entfernt ist.

Bei einigen Anwendungen können natürlich ein oder zwei Leistungsanforderungen die Liste dominieren, wie z.B. die Notwendigkeit eines geringen Stromverbrauchs und langfristiger Zuverlässigkeit für eine Mission im tiefen Weltraum. In anderen Fällen ist es unerlässlich, einige Spezifikationen zu erfüllen, aber es besteht keine Notwendigkeit, sie zu übertreffen, da das Endprodukt von keinem Überschuss profitiert.

Bei allen Entwürfen müssen die Ingenieure jedoch natürlich versuchen, die Art und den Grad der Verbindungen zwischen den verschiedenen Projektzielen zu beurteilen. Wenn z.B. etwas mehr Verlustleistung die Geschwindigkeit oder die Genauigkeit deutlich erhöht, kann das ein sehr guter Kompromiss sein. Aber wie quantifizieren Sie die „Kosten“ gegenüber dem „Nutzen“? Das kann man in vielen Fällen nicht zuverlässig tun, und selbst wenn man es könnte, ist diese Beziehung in der Regel nur in einem sehr kleinen Bereich gültig. Die Beziehungen werden mit zunehmender Anzahl solcher Variablen noch komplexer, subtiler und schwieriger zu definieren.

Wie sieht es, zum Beispiel, mit der Topologie für die Leistungsverteilung aus?

Um die Komplexität für das Auffinden der optimierten Lösung zu veranschaulichen, wollen wir uns eine gut definierte Systemfunktion ansehen: die Leistungsverteilungstopologie (PDT). Jedes elektronische Design hat ein Leistungs-Subsystem, aber wir konzentrieren uns auf ein kleineres und begrenztes Leistungs-Subsystem auf einer einzigen Leiterplatte. Normalerweise geht es dabei um mehrere Spannungsschienenwerte und unterschiedliche Stromanforderungen jeder einzelnen Schiene, aber wir können mit einem einfachen Fall von zwei identischen 5-Volt-Lasten von jeweils 0,9 Ampere (A) beginnen.

Selbst für diese sehr einfache Situation gibt es zwei verschiedene Optionen (Abbildung 1), die mit DC/DC-Abwärtswandlermodulen implementiert werden können, wie z.B. die der Familie uSLIC Himalaya von Maxim Integrated. Eine Option ist die Verwendung von zwei Maxim-Modulen MAXM17632 für 5 Volt/1 A mit einem Modul für jede Last, während eine zweite Option die Verwendung eines einzelnen Maxim-Moduls MAXM17635 für 5 Volt/2 A zur Versorgung beider Lasten ist. Und was ist, wenn eine der Lasten nur 75 Milliampere (mA) statt 900 mA beträgt: verwenden Sie dann die 2A-Einheit, um beide zu versorgen, oder verwenden Sie einen MAXM17632 für 1 A und einen kleineren MAXM17900 für 5 Volt/100 mA für die zweite? Wie üblich ist die Antwort: „Es kommt darauf an“.

Abbildung 1: Es gibt zwei Topologien, die zwei unabhängige Lasten mit der gleichen Spannung versorgen können: Verwenden Sie zwei kleinere DC/DC-Module (oben) oder ein einziges größeres Modul, das beiden gemeinsam ist (unten). (Bildquelle: DigiKey)

Beide Ansätze sollten funktionieren, aber es müssen Faktoren wie die Lage der Lasten zueinander, Gesamtwirkungsgrad im Verhältnis zur Last, Gesamtdissipation, wenn eine der Lasten Ruhezeiten hat, und die Aufnahme von Rauschen über die Leiterbahnen berücksichtigt werden. Selbst der Footprint ist ein Faktor: Das 2A-Modul hat eine Grundfläche von 4 x 4 Millimetern (mm) = 16 mm², während die 1A-Einheiten jeweils 3 x 3 mm betragen, was einem Footprint von 9 + 9 = 18 mm² ergibt. Diese zusätzlichen 2 mm² mögen wenig aussagekräftig erscheinen, aber sie können in einem engen Design einen großen Unterschied ausmachen; analytisch gesehen handelt es sich um eine Vergrößerung des Footprints um 12,5%.

Und es wird schwieriger

Bei einem solch einfachen A-gegen-B-Szenario ist es wahrscheinlich, dass eine Option besser sein wird, wenn auch nicht mit großem Abstand. Für die komplizierteren Fälle mit vielen Lasten, selbst bei gleicher Nennspannung, gibt es jedoch oft viele harte und weiche Faktoren zu berücksichtigen, wie z.B:

• Anzahl der Lasten
• Typischer Strom, Maximalstrom und Ruhestrom für jede Last
• Lage der Lasten zueinander
• Dynamik jeder Last
• Aufnahme von Rauschen durch längere Leiterbahnen zwischen Leistungsmodul und Last
• Genauigkeit und Regelung der Spannung bei einer Last - eine Last kann ±0,5% benötigen, während eine andere 1% benötigt
• Lastausgleich: Was ist, wenn eine Last 2 A benötigt und eine andere nur 50 mA - wäre dann ein LDO-Regler (Low-Dropout) für die 50mA-Last ein klügerer Schachzug?
• Vorteile der PoL-Leistungswandlung (Point-of-Load) im Nahbereich und der erforderlichen Umgehung
• Leiterplattenfläche, die für den Betrieb von ungeregelten DC-Primärstromkreisen sowie von mehreren geregelten DC-Stromkreisen (und deren Masse) benötigt wird; Auswirkungen auf die Layout-Flexibilität
• Gesamtgrundfläche der Leistungsmodule und ihrer unterstützenden Komponenten
• Flexibilität der Positionierung auf der Leiterplatte
• Taktfrequenzen, EMI und „Takt“-Probleme; Verwendung eines gemeinsamen Taktgebers im Vergleich zu einzelnen DC/DC-Taktgebern
• Gesamteffizienz der verschiedenen Reglerkonfigurationen
• Anzahl und Typ der benötigten passiven Komponenten
• Strom-Widerstands-(IR)-Abfall, Leiterbahnbreite und möglicher Bedarf an Fernmessung bei höheren Stromstärken
• Komponentenkosten der Stückliste

Diese Liste veranschaulicht die vielschichtige Komplexität des Problems. Selbst für den einfachen Fall einer einzelnen Spannung nehmen die Anzahl der Möglichkeiten und die damit verbundenen Freiheitsgrade mit der Anzahl und Charakteristik der Lasten dramatisch zu.

Die Lösung des Problems ist keine Frage einer erschöpfenden Suche durch alle Möglichkeiten. EDA-Software kann einen gegebenen Ansatz analysieren und ihn im Hinblick auf die Ziele einstufen. Sie kann sogar helfen, indem sie bescheidene „Was-wäre-wenn“-Analysen für einzelne Änderungen betrachtet, aber sie kann sich nicht die verschiedenen Möglichkeiten vorstellen und den Nutzen im Vergleich zu den Kosten und Kompromissen einer gegebenen Topologie bewerten (zumindest noch nicht; mit künstlicher Intelligenz (KI) wird sie dies vielleicht in ein paar Jahren tun!). Hinzu kommt die Realität, dass oft mehrere Spannungsschienen benötigt werden, und das Problem wird weitaus komplexer, zumal Sie verschiedene Zwischenstufen bei der Busumwandlung haben können.

Ich habe gesehen, wie Ingenieure einfache Tabellen anstelle von EDA-Tools verwendet haben, um die Auswirkungen der vielen Topologiepfade zu bewerten. Am Ende werden viele der Tabellenzellen mit qualitativen Bewertungen wie „schlecht“, „gut“ oder „sehr gut“ ausgefüllt, plus kleine Notizen, die an jede Zelle angehängt werden, wie „gut - aber nur bis 2 A“.

Es wäre schön, wenn es möglich wäre, solide Gleichungen zu erstellen, die die vielen Variablen in der Analyse von Leistungsverteilungstopologien verbinden. Dies wird allerdings nicht so bald geschehen, da es so viele miteinander verbundene Freiheitsgrade gibt, die durch nichtlineare Korrelationen, Wendepunkte, Sättigungspunkte und andere komplexe und normalerweise schwer zu quantifizierende Zusammenhänge miteinander verbunden sind.

Hier kommen technisches Fachwissen, Erfahrung, Urteilsvermögen und sogar Intuition ins Spiel, wenn es um die Entscheidung über die bevorzugten PDT-Ansätze geht. Die Bestimmung der „besten“ Leistungstopologie selbst für eine einzelne Leiterplatte ist ein echtes Beispiel dafür, worum es beim Entwickeln geht, und erfordert mehr als eine leidenschaftslose numerische Analyse.

Fazit

Wenn jemand sagt, er habe die optimale Lösung für ein Entwurfsproblem, ist die logische Frage, die man sich stellen muss, einfach und direkt: „Optimal in Bezug auf welche Parameter und in welchem Umfang?“. Selbst bei etwas so Grundlegendem und Greifbarem wie Ihrer PDT gibt es eine große Liste kritischer Faktoren, von denen einige eng und andere lose miteinander verknüpft sind.

Wenn Sie Ihre PDT-Lösung bei einer Designprüfung präsentieren, werden Sie zweifellos von anderen Ingenieuren gefragt werden, wie und warum Sie Ihre vorgeschlagene Topologie ausgewählt haben. Bereiten Sie sich darauf vor, Ihre Analyse gut begründet darzustellen, Ihr Denken zu erläutern und anzuerkennen, wo Erfahrung und Urteilsvermögen anstelle von Zahlen allein eingesetzt wurden. Auf diese Weise sollten Sie in der Lage sein, deutlich zu machen, warum Ihre Kombination von DC/DC-Leistungsmodulen und zugehörigen Komponenten eindeutig eine geeignete Wahl ist, aber nicht die einzige.

Empfohlene Literatur:

Maximale Effizienz mit miniaturisierten PoL-Konvertern

https://www.digikey.de/de/articles/maximize-gains-using-miniaturized-pol-converters

Wenn mehr weniger ist: wertvollen Platz durch mehr Regler sparen

https://www.digikey.de/de/articles/when-more-is-less-save-valuable-space-using-more-regulators

Häufige Fehler, die bei der Verwendung von DC/DC-Reglermodulen mit mittlerem Strombereich zu vermeiden sind

https://www.digikey.de/de/articles/common-mistakes-to-avoid-when-using-midrange-current-dc-dc-regulator-modules

Vorteile von modularen DC/DC-Wandlern gegenüber diskreten Lösungen

https://www.digikey.de/de/articles/advantages-modular-dc-dc-converters-over-discrete-solutions

Stromversorgungs- und Topologielösungen zum Betrieb von LED-Arrays

https://www.digikey.de/de/articles/advantages-modular-dc-dc-converters-over-discrete-solutions