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(Bild: Texas Instruments)

Eckdaten

Der vorliegende Artikel vergleicht das Lastsprungverhalten und den Jitter von Gleichspannungswandlern mit zwei verschiedenen Betriebsarten. Eine davon ist die von der Constant-On-Time-Regelung abgeleitete D-CAP3-Betriebsart, während es sich bei der anderen um eine neue, intern kompensierte Emulated-Peak-Current-Regelung namens Advanced Current Mode (ACM) handelt.

Lineare Regelungsverfahren wie zum Beispiel Voltage Mode und Peak-Current Mode sind bereits seit Jahrzehnten gebräuchlich, sodass viele Designer mit ihrer Implementierung vertraut sind. In den letzten Jahren aber haben nicht-lineare Betriebsarten wie die Constant-On-Time-Regelung und ihre Varianten an Popularität gewonnen, was ihrer Einfachheit und ihrer besseren Reaktion auf Lastsprünge zu verdanken ist.

Im Folgenden werden Lastsprungverhalten und Jitter von Gleichspannungswandlern mit verschiedenen Betriebsarten verglichen. Es handelt sich dabei um die D-CAP3-Betriebsart und um die Advanced-Current-Mode-Regelung. Keine der beiden Techniken erfordert eine Regelkreis-Kompensation, sodass sich das Design einfacher gestaltet als bei anderen Bauelementen auf der Basis einer extern kompensierten Spannungs- oder Stromregelung.

Auswählen und Eingrenzen der Applikation

Um die Leistungsfähigkeit der beiden Regelungsarten unter ähnlichen Einsatzbedingungen zu demonstrieren, wurden zwei verschiedene Stromversorgungs-Schaltungen entworfen und gebaut. Beiden Schaltungen gemeinsam sind die Eingangsspannung von 12 V, die Ausgangsspannung von 1 V und die Eignung für einen Ausgangsstrom von 40 A. Diese Werte sind typisch, wenn es um die Versorgung von Hochleistungs-Prozessoren wie etwa FPGAs oder ASICs mit hoher Stromaufnahme geht.

Um das Filterdesign und die Performance-Erwartungen einzugrenzen, wurde für die Ausgangsspannung eine zulässige Welligkeit von ±3 % beziehungsweise ±30 mV (60 mVPP) festgelegt. Für die Spannungs-Über- und -Unterschwinger bei Lastsprüngen wurden ±5 % beziehungsweise ±50 mV (100 mVPP) als hinnehmbar angesetzt. In dem Vergleich kommen zwei Gleichspannungswandler von TI zum Einsatz. Das ist zum einen der TPS548D22 als ein für 40 A ausgelegter, synchroner D-CAP3-Abwärtswandler mit 650 kHz Schaltfrequenz und zum anderen der TPS543C20, ein intern kompensierter, im ACM-Betrieb arbeitender synchroner Abwärtswandler mit einer Schaltfrequenz von 700 kHz. Die Schaltfrequenzen wurden so gewählt, dass sie sich möglichst unterscheiden und in dem vom jeweiligen Baustein unterstützten Bereich liegen. Somit konnten für beide Schaltungen die gleichen Ausgangsfilter gewählt werden. Auch wenn die Auswahl der Bauelemente über den Rahmen dieses Artikels hinausgeht, sei bezüglich der verwendeten Induktivität angemerkt, dass es sich um eine für 47,5 A geeignete Spule des Typs Würth 744309025 mit 0,165 mΩ und 250 nH handelt. Die Konfigurationen beider Bausteine sind aus Tabelle 1 zu entnehmen.

Auf der nächsten Seite gibt es einen Überblick über die Regelungsbetriebsart D-CAP3

Die Regelungsmethode D-CAP3 stellt eine Variante der Constant-On-Time-Regelung dar, in der der Regelkreis-Komparator zur Erzeugung der Einschaltimpulse die Feedback-Spannung, die Referenzspannung und die von der emulierten Stromrampe abgeleitete Spannung zur Simulation der Welligkeit überwacht. Sind Rampenspannung und Feedback-Spannung kleiner als die Referenzspannung, geht der Ausgang des Komparators in den High-Status, um einen Einschaltimpuls zu generieren. Die Breite dieses Impulses wird von der Regelungslogik und dem Treiberblock anhand der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der gewählten Schaltfrequenz bestimmt. Während des Einschaltimpulses wird der high-seitige Leistungstransistor eingeschaltet, woraufhin der Schaltknoten auf das Niveau der Eingangsspannung gezogen wird und der Spulenstrom ansteigt, um die Ausgangsspannung aufzubauen.

Der D-CAP3-Modus unterscheidet sich von früheren D-CAP-Generationen dadurch, dass er auf einer internen Sample-and-Hold-Schaltung beruht. Hierdurch werden die Auswirkungen der Offsetspannung der integrierten Ripple-Injection-Schaltung eliminiert. Die Sample-and-Hold-Schaltung hat den Vorteil, dass sich die Regelgenauigkeit der Ausgangsspannung verbessert. Die D-CAP3-Regelung bietet die Fähigkeit zur Feinabstimmung der internen Rampen-Amplitude, indem über die äußere Beschaltung einer von vier Werten ausgewählt wird. Aufgrund des Tastverhältnisses des Bausteins wurde der im Datenblatt angegebene empfohlene Wert verwendet. Da der D-CAP3-Modus keinen integrierten Oszillator oder Takterzeuger vorsieht, lässt sich die Schaltfrequenz nicht zu einem externen Taktsignal synchronisieren.

Die intern kompensierte ACM-Regelung ist Thema der nächsten Seite

Bei einer intern kompensierten ACM-Regelung handelt es sich um eine Emulated-Peak-Current-Regelungstopologie. Ebenso wie die D-CAP3-Betriebsart unterstützt auch ACM ein stabiles, statisches und schnelles Lastsprungverhalten, ohne dass komplizierte externe Kompensationsschaltungen entworfen werden müssen. Die ACM-Regelung ermöglicht die Festfrequenz-Modulation mit Frequenzsynchronisation, wodurch sich etwaige EMI-Probleme in störempfindlichen Anwendungen vermeiden lassen. Bestandteil dieser Regelungsarchitektur ist ein internes Rampenerzeugungs-Netzwerk, das die Strominformation aus der Spule emuliert und so die Verwendung von Ausgangskondensatoren mit niedrigem ESR (effektivem Serienwiderstand) gestattet, wie es bei der D-CAP3-Betriebsart der Fall ist.

Die interne Rampe der ACM-Betriebsart ergibt einen hohen Signal-Rauschabstand mit dem Resultat einer hohen Störbeständigkeit. Auch beim ACM-Betrieb gibt es verschiedene Rampen-Optionen. Ein einziger zur Masse führender Widerstand ist notwendig, um den internen Regelkreis für verschiedene Kombinationen von Spule und Ausgangskondensatoren zu optimieren. Zu Vergleichszwecken wurde der im Datenblatt angegebene Widerstandswert verwendet. Auch Webench Power Designer gibt eine Empfehlung für den Widerstandswert zum Festlegen der Amplitude der intern generierten Rampe.

Vergleich der Lastsprung-Eigenschaften

Da es sich bei D-CAP3 um eine nichtlineare Betriebsart handelt, lässt sich das Bode-Diagramm schwierig messen, denn der Regelkreis kann intern nicht vollständig aufgetrennt werden. In Bild 1 ist das Bode-Diagramm des ACM-Designs zu sehen. Die Messungen erfolgten bei einem Ausgangsstrom von 15 A, das ist der Maximalstrom der für den Vergleich verwendeten elektronischen Last. Mit einer Durchtrittsfrequenz von 45 kHz und einer Phasenreserve von 58° ist dies eine stabile Stromversorgung mit dem Verhalten einer traditionellen Current-Mode-Lösung. Für den Vergleich mit der adaptiven On-Time-Regelung D-CAP3 ist es also besser, sich die Lastsprung-Kurven anzusehen.

Der Lastsprungtest wurde mit einem Lastsprung von 20 auf 80 % Last (Volllast entspricht 40 A) vorgenommen, also mit einem Sprung von 8 auf 32 A und anschließend von 32 auf 8 A. Der steigende Lastsprung wies eine sehr hohe Anstiegsgeschwindigkeit von 240 A/µs auf, um die ACM-Impulsgruppierungen besser zu zeigen, während die Abfallgeschwindigkeit 50 A/µs betrug. Beim Vergleich der Lastsprung-Kurven in den Bildern 2 und 3 liegt das ACM-Design gegenüber der D-CAP3-Lösung leicht im Vorteil und weist kürzere Reaktionszeiten und geringere Spannungs-Über- und -Unterschwinger auf. Tabelle 2 fasst die Ergebnisse zusammen.

Thema der nächsten Seite: Asynchrone Pulsinjektion und Body-Braking

ACM ist eine echte Festfrequenz-Betriebsart. Ein gravierender Mangel eines jeden Festfrequenz-Wandlers ist die Tatsache, dass bei jedem Lastsprung der nächste Taktzyklus abgewartet werden muss, bevor auf den Lastsprung reagiert werden kann. Abhängig von der Regelkreis-Bandbreite und dem Timing des Lastsprungs kann diese Verzögerung zu einem weiteren Abfall der Ausgangsspannung führen. In unserem Vergleich kommen im ACM-Baustein Schaltungen für die asynchrone Pulsinjektion (API) zum Einsatz, um das Einschwingverhalten zu verbessern. Dies erfolgte hier für den Vergleich mit der D-CAP3-Betriebsart. Bei einem Lastsprung erfasst der ACM-Wandler die Schnelligkeit und Amplitude der Ausgangsspannungs-Änderung. Erfolgt die Änderung der Ausgangsspannung hinreichend schnell und stark, erzeugt der Wandler noch vor dem nächsten verfügbaren Taktzyklus einen zusätzlichen PWM-Impuls, um die Ausgangsspannung an einem weiteren Rückgang zu hindern. Dies dämmt den Spannungs-Unterschwinger ein, jedoch ist die Schaltfrequenz während dieses Lastsprungs nicht mehr konstant.

In Bild 4 ist der Spannungsverlauf am Schaltknoten bei einem Lastsprung von 8 auf 32 A zu sehen, wenn der Gleichspannungswandler einen zusätzlichen asynchronen Impuls einfügt. Wie Bild 5 verdeutlicht, sieht der ACM-Impulszug ähnlich aus wie bei der D-CAP3-Betriebsart, bei der sich die PWM-Frequenz ändert, um zügiger auf den sich schnell ändernden Laststrom reagieren zu können.

Während der Erholphase nach dem Lastsprung nutzt der ACM-Baustein eine Body-Brake-Funktion. Dabei werden der high- und der low-seitige MOSFET abgeschaltet, sodass Energie durch die Body-Diode des unteren MOSFET dissipiert werden kann. Dies verringert den Überschwinger der Ausgangsspannung. Mit dieser Methode lässt sich der Spannungs-Überschwinger wirksam eindämmen und die zum Einhalten der vorgegebenen Ausgangsspannungs-Toleranz erforderliche Ausgangskapazität wird minimiert. Wegen der zusätzlichen Energie, die während eines Lastsprung-Ereignisses in der Body-Diode des unteren MOSFET dissipiert wird, hat dieses Verfahren jedoch einen gewissen Einfluss auf den Wirkungsgrad. API und Body-Braking im ACM-Gleichspannungswandler lassen sich durch entsprechende Beschaltung des Mode-Pins deaktivieren, damit der Baustein den Festfrequenz-Betrieb und die Frequenz-Synchronisation auch bei Lastsprüngen beibehält.

Frequenz-Jitter

Jitter kann mehrere Ursachen haben, resultiert aber meist aus Rauschen, das über den Feedback- oder den Kompensations-Pin von Gleichspannungswandlern injiziert wird. Außerdem kann Jitter ein Indiz für Instabilitäten sein. In D-CAP-Wandlern ist Jitter ein bekannter Nebeneffekt einer Frequenzmodulation während eines Lastsprung-Ereignisses. Dabei verbessert sich die Lastsprung-Reaktion erheblich, weil die Schaltfrequenz schnell angehoben wird. In Anwendungen, in denen es keine rauschempfindlichen analogen Schaltungen gibt, ist Frequenz-Jitter problemlos tolerierbar.

In Bild 6 ist der Frequenz-Jitter des D-CAP3-Wandlers bei 15 A Laststrom wiedergegeben. Die Frequenzmodulation ist im rechten Teil der Kurve klar zu sehen.

Bei der ACM-Betriebsart kommt ein Festfrequenz-Verfahren zum Einsatz, durch das sich die Frequenzjitter-Performance gegenüber der D-CAP3-Lösung verbessert (siehe Bild 7). Für Anwendungen, die ein besser vorhersagbares Schaltfrequenz-Verhalten erfordern, ist ACM deshalb die bessere Wahl.

Fazit

Keine Regelungsbetriebsart ist für jede Situation perfekt geeignet. Beim Design eines drahtlosen Access Points oder einer Remote Radio Unit unter Verwendung von Datenwandlern und anderen rauschempfindlichen Schaltungen kann eine Lösung mit einer konstanten, vorhersagbaren Schaltfrequenz, die sich zu einem externen Takt synchronisieren lässt, das bessere Design sein. Andererseits sind viele Designer auf der Suche nach einfach einsetzbaren Gleichspannungswandlern, die keine aufwendigen Kompensations-Berechnungen erfordern. Außerdem kann der Wunsch bestehen, die anspruchsvollen Lastsprung- und Spannungstoleranz-Anforderungen eines Prozessors mit weniger Ausgangskapazität zu erfüllen. Tabelle 3 gibt einen Überblick darüber, wie die beiden Betriebsarten im gegenseitigen Vergleich dastehen.

Beide Regelungs-Modi haben ihre Stärken und ergänzen einander. ACM bietet ein schnelles Einschwingverhalten und die Möglichkeit, die Performance durch die einstellbare Rampe sowie per API und Body-Braking genau abzustimmen. Werden Festfrequenz-Betrieb und ein geringerer Aufwand an externen Bauteilen verlangt, kann ACM die bessere Alternative gegenüber der D-CAP3-Betriebsart sein.

 

Rich Nowakowski

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Product Marketing Manager, Converter and Controller Products, Texas Instruments

Ryan Manack

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Applications Manager, Power Design Services, Texas Instruments

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