Überblick der GUI-Oberfläche und der GUI-Unterfunktionen, die intuitiv ausgewählt und eingestellt werden können.

Überblick der GUI-Oberfläche und der GUI-Unterfunktionen, die intuitiv ausgewählt und eingestellt werden können.Analog Devices

Die Verbesserung des Wirkungsgrades von Spannungswandlern ist einer der wichtigsten Gründe für die Einführung der digitalen Regelung. Digitale Regler unterstützen bei der Auswahl der besten Kontroll-Strategie und optimieren den Wirkungsgrad. Ein- und derselbe Konverter kann in verschiedenen Topologien und Betriebsarten arbeiten. Bei DC/DC-Konvertern mit niedriger Ausgangsspannung sind synchrone Gleichrichter wegen ihrer kleinen Durchlassverluste sehr verbreitet. Das optimale Schalten der synchronen Gleichrichter (SR) und der Hauptschalter (HS) ist jedoch eine Herausforderung, insbesondere bei Applikationen mit erweitertem Eingangsspannungs- und Lastbereich. Drain-Source-Spannungsmessung, Drain-Strommessung und Signalwandlung in den Analog/Digital-Konvertern (ADC) müssen äußert schnell sein, um eine bestmögliche Totzeit-Regelung zwischen Gleichrichter und Hauptschalter erreichen zu können. Zusätzlich ist eine hohe Rechengeschwindigkeit erforderlich.

GUI ersetzt aufwändige Software-Programmierung

Der digitale Controller ADP1046 von Analog Devices wurde für den Einsatz auf der sekundären Seite des isolierten DC/DC-Wandlers entwickelt und verfügt über alle erforderlichen Funktionen. Mit Hilfe der Analog/Digital-Konverter, einer digitalen Regelschleife sowie einer digitalen PWM-Schaltung wird die Ausgangsspannung geregelt. Die digitale Regelschleife benutzt einen Zwei-Wege-Analog/Digital-Konverter, der aus einem schnellen ADC mit reduzierter Genauigkeit besteht und einem langsamen aber präzisen ADC. Mit einem digitalen PID-Filter lässt sich die Kompensation der Regelschleife realisieren. Eine einfache Programmierung der PID-Parameter ermöglicht schnelle Optimierung und rasches Debugging der Regelschleife.

Mithilfe der intuitiven GUI kann der DC/DC-Wandler zügig entwickelt werden. Für „On-the-fly“-Programmierung, Systemtest, Überwachung und Ferndiagnose wird der Industrie-Standard-Bus I2C eingesetzt. Die intuitive Benutzeroberfläche unterstützt den Entwickler bei folgenden Aufgaben:

– Auswahl der Topologie,

– Einstellung der Frequenz von Totzeit und den Grenzen der PWM,

– Einstellung der Parameter von Ausgangsfilter und Transformator,

– Einstellung der Parameter von Spannung-, Strom-, und  Temperatur-Überwachungen,

– Programmierung der adaptiven Totzeitsteuerung,

– „On-the-fly“-Optimierung der Regelschleife,

– einfache Suche nach Fehlern während der Inbetriebnahme,

– Fernabfrage und Ferndiagnose.

Die Parameter der digitalen Regelschleife können abhängig von der Last eingestellt und automatisch durch den Controller selbst verändert werden. Schnell und risikolos lässt sich die optimale Totzeit zwischen synchronem Gleichrichter und Hauptschalter finden. In Abhängigkeit vom Eingangsstrom und der Eingangsspannung ist es möglich, die optimale Totzeit adaptiv anzupassen.

Ansteuerung synchroner Gleichrichter

Wegen ihrer niedrigen Durchlassverluste werden synchrone Gleichrichter in DC/DC-Konvertern mit niedriger Ausgangsspannung eingesetzt. Sie können entweder durch eine Selbst-Ansteuerung oder eine externe, komplexe Regelung angesteuert werden. Für kurze Zeitperioden wird jedoch bei den meisten Regelungen oftmals die intrinsische Diode eingeschaltet, was jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad zur Folge hat. Zum Generieren der Ansteuerungssignale wird entweder der Drain-Strom Id oder der Spannungsabfall Uds des synchronen Gleichrichters gemessen.

Bei der neuen Methode von Analog Devices wird der synchrone Gleichrichter exakt dann eingeschaltet, wenn der Drain-Source-Spannungsabfall Uds den Wert 0 V erreicht und genau dann wieder ausgeschaltet, wenn der Drainstrom Id den Wert 0 A erreicht. Würde man derart exakte Schaltpunkte mit herkömmlichen Methoden realisieren wollen, wären Analog/Digital-Konverter mit sehr hoher Bandbreite und Messdynamik erforderlich. Diese, im ADP1046 implementierte Methode, bietet einen einfachen Algorithmus und einen geringen Schaltungsaufwand, damit die Body-Diode nicht eingeschaltet werden muss.

Ansteuerungsmethode für optimale Totzeit

Um zu demonstrieren, wie sich die Leistungsverluste mit einem digitalen Controller reduzieren lassen, wurde ein Voll-Brücken-Durchflusswandler mit einem Mittelabgriff-Transformator ausgewählt. Der Controller benutzt eine Zustandsmaschine, um die PWM-Signale für die Hauptschalter TA, TB, TC, TD sowie für die synchronen Gleichrichter SR1 und SR2 zu generieren. Zur Regelung des Durchflusswandlers werden lediglich zwei Eingangsgrößen benötigt. Die Eingangsspannung Uin erzeugt alle PWM-Signale. Zur Einstellung der optimalen Totzeiten zwischen den Hauptschaltern TA, TB, TC, TD und den synchronen Gleichrichtern SR1/2 sowie zwischen den Hauptschaltern selbst, wird der Eingangsstrom lin gemessen.

Ein Blockdiagramm des digitalen Voll-Brücken-Durchflusswandlers: die PWM-Signale werden mit Hilfe der Ausgangsspannung geregelt, die optimalen Totzeiten mit Hilfe des Eingangsstromes.

Ein Blockdiagramm des digitalen Voll-Brücken-Durchflusswandlers: die PWM-Signale werden mit Hilfe der Ausgangsspannung geregelt, die optimalen Totzeiten mit Hilfe des Eingangsstromes. Analog Devices

Da die Ausgangsspannung Uout konstant geregelt wird, bestimmt alleine der Ausgangsstrom Iout die Lade- und Entladezeiten der Drain-Source-Kapazität Cds der synchronen Gleichrichter. Lade- und Entladezeiten müssen bekannt sein, um das Einschalten der Body-Diode zu vermeiden. Im Durchflusswandler folgt der Ausgangsstrom Iout dem Eingangsstrom Iin. Aus diesem Grund  sind die Lade- und Entladezeiten der synchronen Gleichrichter umgekehrt proportional zum Iin. Lade- und Entladezeiten der Cds des Hauptschalters, die sich auf der primären Seite des Wandlers befinden, werden vom gleichen Iin bestimmt.

Derselbe Iin bestimmt die Lade- und Entlade-Zeiten der Cds vom Hauptschalter auf der primären Seite des Wandlers. Deshalb wird der Iin auch benötigt, um die minimalen Totzeiten zwischen den Hauptschaltern einzustellen oder den ZVS-Betrieb zu ermöglichen. Daraus ist ersichtlich, dass die Kenntnis über den Iin ausreicht, um die Totzeiten beider Seiten des Wandlers zu minimieren.

Die Veränderungen der Schaltzeiten von Hauptschalter und synchronem Gleichrichter für unterschiedliche Id, Uds und für verschiedene Temperaturen erschweren die Einstellung der minimalen Totzeiten. Datenblätter der MOSFETs spezifizieren nur die gesamte Ein- und Ausschaltzeit für die nominalen Werte von Id und Uds, aber nicht für den gesamten Id– und Uds-Bereich. Um die minimalen Totzeiten einhalten zu können, muss das Verhalten der Schaltzeiten im gesamten Id– und Uds-Bereich bekannt sein.

Die optimale Ansteuerung der synchronen Gleichrichter hängt von der Fähigkeit ab, die Totzeiten beim Ein- und Ausschaltvorgang genau bestimmen zu können. Zu lange Totzeiten erhöhen die Durchlassverluste, da es dann erforderlich wird, die Body-Diode einzuschalten. Werden Hauptschalter und synchrone Gleichrichter gleichzeitig eingeschaltet, hat dies wiederum zu kurze Totzeiten zur Folge, was dann zum Kurzschluss, zu erhöhten Leistungsverlusten oder sogar zur Beschädigung der Schalter führt.

Da die MOSFETs von Hauptschalter und synchronen Gleichrichtern unterschiedliche Schaltzeiten haben, sollte die Bestimmung der minimalen Totzeit direkt in den zu entwickelnden Wandlern vorgenommen werden. Dadurch werden auch die Verzögerungen berücksichtigt, die durch Gate-Treiber, Pegel-Wandler, Signal-Koppler und lange Leitungen der Leiterplatten verursacht werden.

Im ersten Einstellungsschritt gilt es, die Zeit-Differenz zwischen dem Ausschalten des synchronen Gleichrichters und dem Einschalten des Hauptschalters auf Basis der Datenblätter für Nominalwerte zu berechnen. Zu diesem berechneten Wert soll dann eine zusätzliche Verzögerung von +50 ns addiert werden. Diese konservativ gewählte Verzögerung vermeidet Kurzschlüsse und bildet den vorläufigen Initialwert der adaptiven Totzeit (ADT). Einfach und bequem mittels GUI können diese Einstellungen vorgenommen werden. Für die Einstellung der Totzeit zwischen dem Ausschalten des Hauptschalters und dem Einschalten des synchronen Gleichrichters ist dieselbe Vorgehensweise erforderlich.

Die Einstellungen der adaptiven Totzeit im GUI des digitalen Controllers ADP1046.

Die Einstellungen der adaptiven Totzeit im GUI des digitalen Controllers ADP1046.Analog Devices

Nach erfolgten Initial-Einstellungen kann nun die Eingangsspannung angelegt werden. Beim minimalen Laststrom sollen die Zeitperioden, in der die Body-Diode des synchronen Gleichrichters eingeschaltet (Ton SR-HS(min), Ton HS-SR(min)) ist, gemessen und notiert werden. Danach wird der Nominalwert des Iout eingestellt und anschließend werden ebenfalls die Zeitperioden in der Body-Diode des SR eingeschaltet (Ton SR-HS(nom), Ton HS-SR(nom)) und gemessen. Nun kann die fallende Einschaltflanke der Gate-Spannung Ugs des synchronen Gleichrichters um den gemessenen Wert der Zeitperiode Ton SR-HS(nom) mit GUI-Hilfe verzögert werden. Die steigende Flanke der Gate-Spannung Ugs soll um den Wert der Zeitperiode (Ton HS-SR(nom)) vorgerückt werden. Auf diese Weise werden die Einschaltperioden der Body-Diode bei nominalem Iout eliminiert. Zum Schluss werden die Differenzen der Einschaltperioden der Body-Diode (Ton SR-HS(min))-(Ton SR-HS(nom)) sowie (Ton HS-RS(min))-(Ton HS-HSR(nom)) die Einstellung der adaptiven Totzeit verwendet. Bild 3 zeigt, wie sich die oben beschriebenen Einstellungen der ADT schnell und einfach mittels GUI in den Schaltalgorithmus implementieren lassen. Die gezeigten Einstellungen wurden für einen 300-W-DC/DC-Konverter mit Uin=48 V, Uout=12 V Iout=25 A vorgenommen. Die steigende Flanke der Gate-Spannung Ugs des synchronen Gleichrichters verzögert sich bei Iin=0 A um zusätzliche 35 ns; die Verzögerung nimmt linear bis zum Wert 0 ns ab während der Iin bis 7 A zunimmt. Um 15 ns wird die fallende Flanke der Ugs vorgerückt bei Iin=0 A. Sie nimmt mit steigendem Iin linear ab.

Wirkungsgradvergleich des 300-W-Durchflusswandlers im Betrieb mit konstanter Totzeit (rote Linie) und mit adaptiv gesteuerter Totzeit (grüne Linie).

Wirkungsgradvergleich des 300-W-Durchflusswandlers im Betrieb mit konstanter Totzeit (rote Linie) und mit adaptiv gesteuerter Totzeit (grüne Linie).Analog Devices

Die Einführung der adaptiven Totzeit bezieht sich auf die zuvor eingestellten Flanken, die vorgenommen wurden, um eine minimale Totzeit bei nominalen Iout zu erreichen. Alle Flankenkorrekturen erfolgen gleichzeitig in der realen Zeit und sie gehen einher mit der Änderung des Eingangsstromes und der Eingangsspannung.

Verbesserung des Wirkungsgrades

In der Praxis wurde diese neue Ansteuermethode in einem Voll-Brücken-Durchflusswandler mit Uin=48 V, Uout=12 V/Iout=25 A und einer Arbeitsfrequenz von 150 kHz realisiert. Der Wirkungsgrad wurde zuerst für eine konstante Totzeit und anschließend für eine adaptive Totzeit gemessen. In Bild 4 sind die Resultate der Messungen dargestellt. Der Durchflusskonverter zeigt eine Verbesserung des Wirkungsgrades beim Einsatz der ADT-Methode um durchschnittlich ein Prozent im Vergleich zur Regelung mit konstanter Totzeit. 94,5 Prozent ist der maximal erreichte Wirkungsgrad. Weitere Untersuchungen zeigten, dass im Schwachlastbetrieb der Wirkungsgrad weiter verbessert werden konnte, vorausgesetzt, die synchronen Gleichrichter werden bei einem Ausgangsstrom unterhalb von 1,5 A abgeschaltet. Unterhalb dieser Grenze verursacht die eingeschaltete Body-Diode weniger Leistungsverluste als die Ansteuerung der synchronen Gleichrichter.

Höherer Wirkungsgrad bei Spannungswandlern

Für die Einstellung der minimalen Totzeit von synchronen Gleichrichtern und Hauptschalter ist eine Iin-Messung ausreichend. Um den Aufwand für die Ansteuerung zu minimieren, erfolgt die Einstellung der Totzeit adaptiv. In einem 300-W/150-kHz-Durchflusswandler wurde der neue Algorithmus verifiziert; die Verbesserung des Wirkungsgrades beträgt durchschnittlich ein Prozent. Die neue Ansteuermethode erlaubt die adaptive Anpassung der minimalen Totzeit im erweiterten Eingangsspannungsbereich sowie im gesamten Lastbereich eines Wandlers.