Dominanz bei hohen und niedrigen Frequenzen

Bild 4: Schaltplan mit gemischten Ausgangskondensatoren.

Bild 4: Schaltplan mit gemischten Ausgangskondensatoren. Texas Instruments

Ein Keramik-Kondensator mit 47 nF wurde gewählt, weil er bei Frequenzen ab 20 MHz eine geringere Impedanz aufweist. Die zusätzliche Kapazität von 47 nF ist außerdem so gering, dass sie sich nicht auf die Stabilität auswirkt. Die schwarze Kurve zeigt die Impedanz der Parallelschaltung aus dem 22-µF- und dem 47-nF-Kondensator. Zu sehen ist, dass der 22-µF-Keramik-Kondensator den Verlauf der Impedanzkurve im größten Teil des Frequenzbands dominiert. Allerdings dominiert der Elektrolyt-Kondensator bei niedrigen Frequenzen, während der 47-nF-Keramik-Kondensator bei hohen Frequenzen überwiegt.

Ein Design mit verschiedenen Ausgangskondensatoren ergibt die geringste Ausgangsimpedanz über den größten Frequenzbereich. Allerdings lässt sich die Regelkreiskompensation für einen Abwärtswandler in diesem Fall nur schwer berechnen.

Bild 5: Ein erstes Bode-Diagramm mit kombinierten Ausgangskondensatoren zeigt die Lage der Pol- und Nullstellen im Amplitudengang des Leistungsteils an.

Bild 5: Ein erstes Bode-Diagramm mit kombinierten Ausgangskondensatoren zeigt die Lage der Pol- und Nullstellen im Amplitudengang des Leistungsteils an. Texas Instruments

Wichtig ist, die Lage der Pol- und Nullstellen zu beachten, die sich aus den niedrigeren ESR- und Kapazitätswerten des Keramik-Kondensators und den höheren ESR- und Kapazitätswerten des Elektrolyt-Kondensators ergeben. Die Induktivität und die einzelnen Kondensatoren sorgen für unterschiedliche Pol- und Nullstellen. Die Software Webench von TI berücksichtigt jeden Pfad separat, was das Design im Vergleich zu manuellen Berechnungen vereinfacht und widerstandsfähiger macht.

Designbeispiel mit verschiedenen Kondensatoren

Als Beispiel für eine Schaltung mit verschiedenen Kondensatortypen soll ein Abwärtswandler mit einer Eingangsspannung von 24 V (±20 Prozent) und einer Ausgangsspannung von 12 V bei 6 A dienen.

Entwickler können die Vorgaben entweder in Webench oder direkt in das Panel auf der Produktseite des gewählten Reglers eingeben. Im hier beschriebenen Fall fiel die Wahl auf den Buck Controller LM25117, und die Eingangsbedingungen wurden in die Produktseite eingegeben. Nach dem Start des Designs erscheint links eine mit „Advanced Options“ bezeichnete Schaltfläche (Bild 4).

Da das Design ein gutes Einschwingverhalten erzielen musste, wurde das Häkchen bei „User Preferred Frequency“ gesetzt und in das Feld darunter der Wert „500 kHz“ eingegeben, um für die Durchtrittsfrequenz einen weiten Bereich zuzulassen. Im Feld „Output Cap Options“ wurde die Option „Mixed“ gewählt, bevor durch Anklicken von „Update“ ein neues Design gestartet wurde, das 500 kHz und gemischte Ausgangskondensatoren erlaubt. Die genannten Eingaben sind in Bild 4 rot eingekreist.

Elektrolyt- und Keramik-Kondensatoren kombinieren

Nach dem Anklicken des Schaltplans für eine vergrößerte Ansicht lassen sich die enthaltenen Bauelemente durch einen Doppelklick verändern. Im vorliegenden Fall wurde ein Doppelklick auf die Induktivität L1 ausgeführt, um hier eine kostengünstigere Variante zu wählen. Die in Bild 4 mit roten Pfeilen markierten Ausgangskondensatoren wurden ausgetauscht, um die gewünschte Kombination aus Elektrolyt- und Keramik-Kondensatoren zu erhalten.

Für COUT wurden zwei 100-µF-Elektrolyt-Kondensatoren aus der Datenbank des Tools gewählt, während für COUTX ein Keramik-Kondensator eingesetzt wurde. Obwohl die Datenbank mehrere geeignete Keramik-Kondensatoren enthält, war der in den Bildern 2 und 3 verwendete 22-µF-Keramik-Kondensator nicht verfügbar. Deshalb wählten die Entwickler nach einem Doppelklick auf den Kondensator COUTX das Feld „Create Custom Part“ ganz unten im Fenster.

Als Ersatz für den Keramik-Kondensator mit 22 µF wählten die Entwickler einen Keramik-Kondensator mit 19 µF, um den Kapazitätsrückgang bei einer Vorspannung von 12 V zu berücksichtigen. Als ESR wurde ein Wert von 15 mΩ angesetzt, wobei ein gewisser Leiterbahnwiderstand bereits eingerechnet ist.

Nachdem die Ausgangskondensatoren ausgetauscht waren, folgte ein Klick auf den Button „Re Comp“ (in Bild 4 oben rot eingekreist), um das Bode-Diagramm darzustellen und die Kompensation abzuändern.

Bild 6: Das Bode-Diagramm des Designs mit gemischten Ausgangskondensatoren nach manuell geänderter Kompensation zeigt die größere Bandbreite und die gute Phasenreserve.

Bild 6: Das Bode-Diagramm des Designs mit gemischten Ausgangskondensatoren nach manuell geänderter Kompensation zeigt die größere Bandbreite und die gute Phasenreserve. Texas Instruments

Amplituden- und Phasengang darstellen

Die blauen Kurven in Bild 5 zeigen den Amplituden- und Phasengang des gesamten Regelkreises, während die orange Kurve das Verhalten des Leistungsteils darstellt. Das Tool markiert die Pol- und Nullstellen des Leistungsteils mit den gemischten Ausgangskondensatoren sowie den Verstärkungsverlauf der Leistungsstufe.

Die Stabilität des gewählten Designs ist ausreichend, aber angestrebt war ja eine höhere Durchtrittsfrequenz. Der Compensation Designer von Webench ermöglicht die automatische Kompensation mit optionaler Angabe der Bereiche für die Durchtrittsfrequenz sowie die Amplituden- und Phasenreserve.

Im vorliegenden Beispiel wählten die Entwickler allerdings die manuelle Kompensation, um die Kontrolle über die Lage der Pol- und Nullstellen der Kompensation zu haben.

Pol- und Nullstellen verschieben

Die über den mit einem roten Kreis markierten Radio Button aktivierte Option „Edit Poles/Zeroes“ ermöglicht das Verschieben der Pol- und Nullstellen, wobei die Werte der Bauelemente automatisch geändert werden. Die Nullstelle „Zero1“ wurde von 5,3 kHz auf 2,8 kHz verlagert, um die Durchtrittsfrequenz anzuheben und die Delle im Phasengang bei 1 kHz etwas zu verringern. Die Polstelle „Pole1“ konnte dagegen in der Nähe ihrer ursprünglichen Frequenz von 80 kHz bleiben.

Das Verlagern der Kompensations-Nullstelle nach 2,8 kHz erhöhte die Durchtrittsfrequenz von 21 kHz auf 56 kHz, während sich die Phasenreserve auf 65° und die Amplitudenreserve auf 15 dB verringerte (was nach wie vor ein sehr stabiles Design ergibt). Die Stabilitätsergebnisse sind im linken Teil von Bild 6 rot umrandet. Der Schaltplan wird nach Anklicken des Buttons „Apply Changes to Design“ aktualisiert.

Bild 7: Das finale Webench-Schaltbild mit kombinierten Ausgangskondensatoren.

Bild 7: Das finale Webench-Schaltbild mit kombinierten Ausgangskondensatoren. Texas Instruments

Bild 7 zeigt das finale Schaltbild. Wenn das System nicht ohnehin schon über eine allgemeine Entkopplung verfügt, sollten Entwickler den Eingang mit einem Elektrolyt-Kondensator versehen. Bei Bedarf kann der 47-nF-Kondensator in Bild 3 zum Abschwächen der elektromagnetischen Interferenzen an den Ausgang angeschlossen werden.

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