DVS: Wenn die Versorgungsspannung dynamisch ist …

Spannungsregler haben in der Regel die Aufgabe, eine konstant geregelte Ausgangsspannung zu erzeugen. Es werden Regelschleifen genutzt, um aus einer nicht geregelten Eingangsspannung eine möglichst stabile und genaue Versorgung zu generieren. Welchen Zweck hat dann eigentlich „Dynamic Voltage Scaling“?

Dynamic Voltage Scaling, abgekürzt DVS, bedeutet, dass die Ausgangsspannung einer Spannungsversorgung während des Betriebs angepasst werden kann. Die Gründe für eine solche Anpassung können vielfältig sein. Dazu will ich nachfolgend einige Beispiele vorstellen.

Wandlungseffizienz einer PFC-Stufe im Niedriglastbetrieb erhöhen

Eine PFC-Stufe zur Kompensation der Blindleistung nimmt die Wechselspannung der Netzspannung und erhöht diese zu einer DC-Zwischenkreisspannung. In 240-V-AC-Systemen beträgt die Zwischenkreisspannung in der Regel 380 V (Bild 1). Der PFC Controller ADP1047 kann DVS nutzen und die Ausgangsspannung von eingestellten 380 V abhängig von der Last herabsetzen, beispielsweise auf 360 V. Dies erhöht im Betrieb bei Teillasten die Wandlungseffizienz der Stromversorgung.

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Mikrocontroller in unterschiedlichen Betriebszuständen effizient betreiben

Ein weiteres Beispiel, das den Nutzen von DVS zeigt, ist in Bild 2 zu sehen. Hier versorgt der abwärtswandelnde Schaltregler ADP2147 einen DSP. Die Effizienz eines Systems mit Mikrocontroller, DSP oder auch FPGA kann bei vielen Anwendungen erhöht werden, indem die Core-Spannung reduziert wird, wenn sich der Prozessor im Stand-By Betrieb befindet.

Viele DSPs, beispielsweise der BF527, können effizienter betrieben werden, wenn die Core-Spannung (Spannung U_{DD_INT} ) zum Beispiel von 1,2 auf 1,0 V reduziert wird, während der DSP mit geringer Arbeitslast läuft.

Regelgeschwindigkeit nach Lasttransienten verbessern

Wie in den beiden Beispielen gezeigt, ist ein häufiger Grund für den Einsatz von DVS eine Steigerung der Effizienz bzw. das Reduzieren von Verlusten. Es gibt aber auch weitere Anwendungen.

In vielen Systemen ist eine recht genau geregelte Versorgungsspannung nötig. Bild 3 zeigt einen Spannungsbereich, in dem eine Core-Spannung von 1,2 V zulässig ist. Dies könnte 1,2 V +-10% sein. Die Spannung in diesem Beispiel soll nicht nur im statischen Lastfall eingehalten werden, sondern auch, wenn sich die Last dynamisch verändert.

Wäre die Regelung in der Mitte des zulässigen Bereiches gesetzt, stünde die Hälfte des Bereiches für statische Fehlerquellen und auch dynamische Spannungsveränderungen nach Lasttransienten zur Verfügung. Ein schöner Trick ist es, die Ausgangsspannung bei niedriger Last etwas zu erhöhen und bei hoher Last etwas zu erniedrigen.

Im Hochlastfall erwartet man, dass irgendwann eine niedrigere Last angelegt wird, dabei gibt es üblicherweise einen kleinen Spannungsüberschuss. Um diesen noch innerhalb des zulässigen Bereiches zu halten, wird die Sollspannung bei einer hohen Last etwas erniedrigt. Bild 3 zeigt diesen Fall. Links wird eine hohe Last versorgt, rechts dann eine niedrige Last.

Der umgekehrte Fall funktioniert natürlich auch. Wenn die Last niedrig ist, kann erwartet werden, dass sie irgendwann ansteigt. Dann könnte es dynamisch zu Spannungseinbrüchen kommen. Um diese im zulässigen Bereich zu halten, wird die Spannung bei niedriger Last etwas erhöht.

Weitere Anwendungen, in denen eine dynamisch veränderte Spannung von Nutzen ist, sind die Steuerung eines DC-Motors, das Betreiben eines Aktors oder das Ansteuern eines Peltierelements zur Regelung einer Temperatur. Ein dynamisches Anpassen einer Spannung ist in vielen Anwendungen hilfreich oder notwendig. Speziell bei digital gesteuerten Stromversorgungen ist DVS üblich und einfach zu implementieren.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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