Eckdaten

Der ACM-Regelungsmodus empfiehlt sich für Anwendungen, die nach einer vorhersagbaren Schaltfrequenz verlangen und dennoch ohne externe Kompensation auskommen müssen. Erstmals implementiert ist die ACM-Regelung in der Abwärtswandler-FamilieTPS543B20 (25 A) und TPS543C20 (40 A). Die Familie ermöglicht die Parallelschaltung, um am Point of Load bis zu 80 A zur Verfügung zu stellen, und verfügt über eine interne Kompensationsschaltung. Der Festfrequenz-Betrieb sorgt für geringe Störabstrahlungen, und die rein differenzielle Abtastung ergibt eine optimale Genauigkeit für den VOUT-Sollwert.

DC/DC-Regelungsmethoden lassen sich abhängig von ihrer Modulationsmethode in zwei Kategorien einteilen:

  • Bei Constant-On-Time-Regelungen (COT) ist die Einschaltzeit eine Funktion der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der Schaltfrequenz (letztere kann bei der Reaktion auf Netz- und Laständerungen variieren).
  • Der Festfrequenz-Betrieb wird von Strom- oder Spannungs-Regelungen geboten. Hier bestimmt ein voreingestellter Taktoszillator die Schaltfrequenz, während die Einschaltzeit entsprechend der Reaktion des Regelkreises auf Netz- oder Laständerungen variieren kann.

Jede DC/DC-Regelungsmethode ist durch bestimmte Vorteile sowie entsprechende Abstriche gekennzeichnet. Zum Beispiel wird auf dem Server-Markt die COT-Regelung bevorzugt, weil sie ohne Kompensationsaufwand ein schnelles Einschwingverhalten bietet, wenn auch auf Kosten stärkerer elektromagnetischer Abstrahlungen (EMI). In der Telekommunikation wird dagegen der Strom- oder Spannungsregelung der Vorzug gegeben, weil ihr EMI-Aufkommen dank des Festfrequenz-Betriebs geringer ist, allerdings verbunden mit einem langsameren Einschwingverhalten. Die Spannungs- oder Stromregelung mit einem Festfrequenz-Modulator verlangt außerdem nach Kompensations-Schaltungen vom Typ II oder III, um eine akzeptable Bandbreite und die aus Stabilitätsgründen nötige Phasenreserve zu erreichen. Dies aber erhöht die Komplexität, die Abmessungen und die Kosten der Lösung.

Externe Kompensations-Maßnahmen für die Spannungs- und Stromregelung wurden intensiv untersucht, und zahlreiche Applikationsschriften und Datenblätter geben detaillierte Empfehlungen für das Design und die Optimierung des Regelkreises. Käme die Regelungsmethode ohne externe Kompensation aus, würde dies eine einfachere, dichtere und kosteneffektivere Lösung ermöglichen. Die zusätzliche Möglichkeit zur Synchronisation zu einem externen Takt für einen echten Festfrequenz-Betrieb unter gleichzeitiger Wahrung eines schnellen Einschwingverhaltens würde den traditionellen COT-Anwendern außerdem den Vorteil eines geringen EMI-Aufkommens bieten.

Bild 1: Prinzipschaltung der Spannungsregelung (a) und der Stromregelung (b).

Bild 1: Prinzipschaltung der Spannungsregelung (a) und der Stromregelung (b). Texas Instruments

Bild 2: Kompensationsnetzwerk vom Typ III für die Spannungsregelung mit der zugehörigen Kompensationskurve (a); Kompensation des Typs II für die Stromregelung mit der entsprechenden Kompensationskurve (b).

Bild 2: Kompensationsnetzwerk vom Typ III für die Spannungsregelung mit der zugehörigen Kompensationskurve (a); Kompensation des Typs II für die Stromregelung mit der entsprechenden Kompensationskurve (b). Texas Instruments

Dieser Artikel präsentiert eine neue Regelungs-Topologie auf Basis eines Festfrequenz-Modulators. Sie kommt ohne eine komplizierte externe Kompensationsstruktur aus und ihr Regelkreis spricht schnell auf Lasttransienten an. Die neue Topologie vereint die besten Eigenschaften der COT-Regelung und der Spannungs- und Stromregelung bei gleichzeitiger Minimierung der jeweiligen Nachteile und einer Reduzierung der Leiterplattenfläche, während ihre einfache Anwendung den Produktionszyklus verkürzt.

Traditionelle Festfrequenz-Regelungsmethoden

Die Spannungsregelung verwendet einen einzigen Spannungsregelkreis mit einer festgelegten Taktrampe. Ein relativ komplexes Netzwerk des Typs III mit zwei Pol- und zwei Nullstellen kompensiert den Regelkreis so, dass bei der LC-Resonanzfrequenz eine Phasenreserve von mehr als 90° vorliegt. Im Unterschied zur Spannungsregelung benötigt die Stromregelung einen sekundären, inneren Stromregelkreis, der den Strom in der Induktivität für den PWM-Komparator (Pulsweiten-Modulation) abtastet. Dieser innere Stromregelkreis macht die Induktivität zu einer spannungsgesteuerten Stromquelle, wodurch die aus zwei Polstellen bestehende LC-„Spitze“ in zwei Polstellen aufgespalten wird, von denen eine bei DC beziehungsweise einer niedrigen Frequenz liegt, die andere dagegen bei einer hohen Frequenz. Werden die Polstellen hinreichend separiert, kann die hochfrequente Polstelle ignoriert werden. Mit dieser speziellen Eigenschaft wird die Stromregelung im Prinzip zu einem System mit nur einer Polstelle. Der äußere Spannungsregelkreis nutzt ein einfacheres Kompensationsnetzwerk des Typs II, um die Phasenreserve auf 90° anzuheben.

Bild 1 gibt die grundlegende Regelungsstruktur der beiden gängigsten Festfrequenz-Regelungsverfahren wieder. Für die Spannungsregelung ist ein Spannungsregelkreis vorhanden, für die Stromregelung ein Spannungsregelkreis mit einem zusätzlichen inneren Stromregelkreis.

In Bild 2 sind die Kompensationsnetzwerke des Typs II und III dargestellt. Die meisten Stromversorgungs-Designer sind mit dem Design der Kompensation durch Anpassen der externen Bauteile RS und CS durchaus vertraut, doch ist die Komplexität kaum zu vernachlässigen. Änderungen an den Designparametern machen neue Kompensations-Designs erforderlich, um die geänderten Spezifikationen zu erfüllen. Angesichts des wachsenden Leistungsniveaus in einem ohnehin schon dicht bestückten System macht die Forderung nach hoher Leistungsdichte eine konservative Herangehensweise bei den zusätzlichen Bauteilen immer kritischer.

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