Regelschleife optimieren
Die meisten Spannungswandler haben Regelschleifen, um eine Ausgangsspannung auf einen konstanten Wert einzustellen und halten zu können. Beim Entwurf einer Spannungsversorgung ist es das Ziel, die Regelschleife so zu optimieren, dass bei Schwankungen der Eingangsspannung sowie bei Lasttransienten die geregelte Ausgangsspannung nur eine möglichst geringe Abweichungen vom Sollwert erfährt.
Ein wichtiger Zusammenhang hierbei ist die Größe der Ausgangskondensatoren in Bezug zur Regelgeschwindigkeit des Schaltregler ICs. Wenn die Regelgeschwindigkeit besonders schnell ist, kann mit kleineren Ausgangskondensatoren bei gleicher zulässiger Spannungsveränderung am Ausgang gearbeitet werden. Somit führt ein Optimieren der Regelgeschwindigkeit des Schaltreglers zu reduzierten Systemkosten und kleinerem Platzbedarf der Schaltung, weil kleinere Ausgangskondensatoren eingesetzt werden können.
Um die Regelschleife einstellen zu können, bieten die meisten Schaltregler ICs einen Kompensationspin, häufig ITH oder Vc genannt. An diesem Pin kann man mit geschickter Wahl von Kapazitäten und Widerständen Pole und Nullstellen in die Übertragungsfunktion der Regelschleife hinzufügen, welche für optimales Regelverhalten und hohe Stabilität der Regelschleife sorgen. Doch wie werden diese Kompensationskomponenten ausgewählt?
Hierfür gibt es drei Vorgehensweisen. Die erste ergibt sich aus den Berechnungsformeln des Datenblattes eines Schaltregler ICs. Unter Berücksichtigung der ausgewählten Leistungsstufe wird ein Stabilisierungskonzept vorgeschlagen. Bild 1 zeigt einen LTC3311 IC mit dem entsprechenden ITH Pin und passenden Kompensationskomponenten.
Die zweite Möglichkeit ist die Berechnung in einem Berechnugstool wie LTPowerCAD. Sie ergibt einen besseren Überblick über das Verhalten der Regelschleife. Bild 2 zeigt einen Überblick über die LTpowerCAD Oberfläche, welche eine graphische Darstellung der Regelschleife in einem Bode Diagramm, sowie das Verhalten der Ausgangsspannung nach Lasttransienten im Zeitbereich zeigt. Hier können bequem die Werte der ITH Einstellung variiert werden und somit kann eine optimale Einstellung gefunden werden.
Wir kennen das Sprichwort, ‚Grau ist alle Theorie‘. Die Realität beinhaltet parasitäre Komponenten und sollte immer überprüft werden, bevor eine Entwicklung in die Serienproduktion überführt wird. Hierbei werden die bereits ausgewählten Kompensationskomponenten an den ITH Pin angeschlossen und es werden Lasttransiententests gemacht, um zu überprüfen ob die Spannungsveränderung an Vout im zulässigen Bereich ist und ob der Spannungswandler stabil arbeitet.
Bei diesem Hardwaretest wird jedoch nur eine Einstellmöglichkeit der Kompensation geprüft. Es ist aber gut möglich, dass die optimale Einstellung mit leicht modifizierten Werten besser wird. Um dies herauszufinden, ist allerlei Lötaufwand an der Hardware nötig, da die Kompensationskomponenten jeweils mit neuen Werten ersetzt werden müssen.
Bild 3 zeigt eine dritte, elegante Möglichkeit für dieses Problem mittels vorkonfiguriertem CR Netzwerk. Das LB013B Board von Analog Devices ist eine kleine Platine, auf welcher ein einfaches schaltbares und einstellbares LC Netzwerk implementiert ist. Der gesamte Kapazitäts-, sowie Widerstandswert kann durch das Betätigen von kleinen Schaltern sowie drehen von Potentiometern verändert werden. Man erspart somit das mühsame Löten von Kompensationsbausteinen und kann während eines Lasttransiententests in Echtzeit die Kompensationseinstellung optimieren.
About the Author: Frederik Dostal studied microelectronics at the University of Erlangen in Germany. Starting work in the power management business in 2001, he has been active in various applications positions including four years in Phoenix, Arizona, where he worked on switch-mode power supplies. He joined © Analog Devices in 2009 and works as a field applications engineer for power management at Analog Devices in München. He can be reached at frederik.dostal@analog.com.
