49155.jpg

Verschiedene Serien kommerzieller digitaler Spannungsregler mit automatischer Kompensation.

Verschiedene Serien kommerzieller digitaler Spannungsregler mit automatischer Kompensation.CUI

CUI gibt im folgenden Beitrag einen Überblick über die Kompensationsmethoden in Spannungsreglern, einschließlich Techniken zur automatischen und digitalen Kompensation.

Die Automotive-Analogie

Um die Kompensation in Spannungsreglern richtig zu verstehen, hilft die Analogie zur Aufhängung eines Fahrzeugs. Autofahrer wünschen sich je nach Nutzung ihres Fahrzeugs verschiedene Fahrarten. Fahrer von Limousinen wollen ein sanftes Fahrerlebnis ohne Beeinträchtigungen von außen; Rennfahrer hingegen wollen, dass ihre Fahrzeuge schnell auf äußere Kräfte wie Start, Stopp und Kurvenfahrten reagieren. Beide Fahrzeugarten können zwar die gleichen Beeinflussungen von außen erleben, die gewünschte Reaktion darauf ist aber unterschiedlich. Die Aufhängung eines Fahrzeugs wird deshalb an das gewünschte Verhalten angepasst. Eine korrekt angepasste Aufhängung gibt dem Fahrzeug das gewünschte Fahrverhalten. Die Anpassung der Aufhängung ist damit ähnlich der Anpassung eines Kompensationsschaltkreises bei einem Spannungsregler.

Aufbau der Schaltregler

Bild 1: Durch Schaltregler lässt sich bei der Leistungswandlung hohe Effizienz erzielen.

Bild 1: Durch Schaltregler lässt sich bei der Leistungswandlung hohe Effizienz erzielen.CUI

Um bei der Leistungswandlung eine hohe Effizienz zu erreichen, kommen oft Schaltregler zum Einsatz (Bild 1). Sie bestehen aus zwei wesentlichen Funktionsblöcken: einer Leistungs- und einer Regelstufe. Die Leistungsstufe leitet den Stromfluss in den Spannungsregler. Dieser enthält Schalt-FETs (Feldeffekt-Transistoren), einen Schaltkreis zur Ansteuerung (Schalten) der FETs und einen Ausgangsfilter mit einer Induktivität und Kapazität. Die Regelstufe stellt die Signale der Leistungsstufe zur Verfügung, damit der Schaltregler das gewünschte Ausgangsspannungssignal erzeugen kann.

Die Regelstufe besteht aus einem Dämpfungsglied, einem Fehlerverstärker, einem Verstärker- und Kompensationsschaltkreis. Der Schaltregler lässt sich aus diskreten Bauelementen aufbauen, die direkt auf die Host-Platine gelötet sind. Es gibt aber auch Hersteller, die Spannungsregler-PoL-Module (Point of Load) anbieten; bei ihnen sind die Bauteile auf einer Tochterplatine untergebracht. Der Entwickler verbindet diese Platine dann mit der Haupt-Platine. Zu den Vorteilen der PoL-Module zählt, dass der Modulhersteller einen Großteil des Spannungsreglerdesigns übernimmt. Die Module benötigen zudem weniger Platz auf der Host-Platine als eine diskrete Lösung.

Kompensationsmethoden analoger Spannungsregler

Auf einen Blick

Die Novum Advanced-Power-Line-Baureihen an digitalen PoL-Modulen haben eine automatische Kompensation. Die positiven Auswirkungen sind ein einfacher Einsatz und hohe Leistungsfähigkeit in diversen Anwendungen der nächsten Generation.

Bei den meisten analogen Schaltreglern erfolgt eine Verlagerung der internen Knoten nach außen, damit der Anwender die Kompensationsbauteile auswählen kann. Mit dieser externen Kompensationsfunktion lässt sich die Performance des Schaltreglers optimieren. Um das Transientenverhalten des Spannungsreglers verbessern zu können, wird der Schaltkreis gemessen oder modelliert, um dann die Werte der Kompensationsbauteile berechnen zu können. Der Schaltkreis wird dann mit den installierten Kompensationsbauteilen modelliert oder gemessen. Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, muss dieser Vorgang meist sehr oft wiederholt werden. Das Optimieren eines digitalen Schaltreglers erfolgt auf ähnliche Weise, nur dass hier die Änderungen mittels Firmware anstelle physikalischer Bauteile erfolgen.

Die ordnungsgemäße Implementierung des Kompensationsnetzwerkes in einen anlogen Schaltregler erfordert vom Entwickler besondere Erfahrung, Fähigkeiten und Tools. Wird ein analoger Schaltregler während der Entwicklung der Kompensationsstufe durchgemessen, muss die Platine sehr oft erneut gelötet werden. Wird der Schaltkreis modelliert und nicht gemessen, muss der Entwickler immer noch einen physikalischen Schaltkreis löten, um die Performance zu messen. Das stets erneute Zusammenlöten der Kompensationsbauteile erhöht das Designrisiko. So kann beispielsweise ein Kompensationsbauteil mit einem falschen Wert verlötet, ein anderer Teil des Schaltkreises aus Versehen verändert sein oder die Platine wurde während des Entwicklungsprozesses beschädigt. Möglich ist auch, dass die Schaltkreise, die Strom vom Spannungsregler beziehen, durch eine unsachgemäße Kompensation des Spannungsreglers Schaden nehmen. Tritt einer dieser Fälle auf, führt dies zu Zeitverzögerungen und Kosten, um das Problem zu finden, eine Lösung bereitzustellen und die Reparatur durchzuführen.

Die genannten Risiken, Prozeduren und Maßnahmen ergeben sich, ob nun ein diskretes Design eines analogen Schaltreglers implementiert wird oder ein POL-Modul auf Basis eines analogen Schaltreglers Einsatz findet.

Bild 2: Häufigen Einsatz finden analoge Schaltregler mit digitaler Hülle.

Bild 2: Häufigen Einsatz finden analoge Schaltregler mit digitaler Hülle.CUI

Das Design des analogen Schaltreglers entspricht in unserer Analogie zum Auto der Auswahl und Installation aller Aufhängungsbauteile. Spezielle Werkzeuge, Wissen und Erfahrung sind notwendig, um die Aufhängung eines Fahrzeugs genau einzustellen. Die Anpassung birgt Risiken, wie die Beschädigung des Fahrzeugs, das Fahren mit einer schlecht eingestellten Aufhängung oder die Beschädigung von Bauteilen während der Anpassung. In jedem Fall ist dann Zeit und Aufwand erforderlich, um Schäden zu reparieren, die durch das Anpassen der Aufhängung entstanden sind.

Als Folge der zunehmenden Zahl digitaler Systeme, die sich in heutigen Designs finden, stellen Anbieter von Spannungsreglern analoge Schaltregler mit digitaler Hülle zur Verfügung (Bild 2). Die Spannungsregler-Bestandteile dieser Schaltkreise sind denen analoger Schaltregler ähnlich.

Doppeleffekt

Der Digitalteil ermöglicht den Einsatz von Software zur Konfiguration, Regelung und Überwachung (CCM: Configure, Control, Monitor) der Spannungsregler-Funktionen in begrenzter Form. Der Software-Einsatz der CCM-Funktionen in einem Spannungsregler hilft dem Entwicklerteam während der Designphase und dem Anwender beim Einsatz des Endprodukts.

Analoge Schaltregler mit Digitalteil stehen für Entwickler diskreter Designs als auch für Designs mit PoL-Modulen zur Verfügung. Einige Modulanbieter integrieren dabei den Großteil der Kompensationsbauteile in das Modulinnere. Dem Anwender steht dann ein einziger interner Kompensationsknoten zur Verfügung; er muss nur einen Widerstand und einen Kondensator wählen, um die Modul-Performance einzustellen. Die Regulierung der Modul-Leistungsfähigkeit ist damit einfacher, als wenn der Entwickler alle Kompensationsbauteile auswählen muss.

Ein Nachteil dieser Kompensationstechnik ist, dass der Anwender nicht den gesamten Satz an Bauteilen für das Kompensationsnetzwerk wählen kann. Diese Möglichkeit würde eine noch bessere Optimierung der Leistungsfähigkeit des Spannungsreglers ermöglichen. Die Option, nur noch einen Widerstand und einen Kondensator zu wählen, entspricht in unserer Analogie der Wahl der Stoßdämpfer für ein bestimmtes Auto – allerdings ohne die Freiheit, noch andere Komponenten der Aufhängung einstellen zu können.

Kompensation digitaler Spannungsregler

Bild 3: Digitale Schaltregler sind heutzutage leistungsfähiger als frühere Topologien.

Bild 3: Digitale Schaltregler sind heutzutage leistungsfähiger als frühere Topologien.CUI

Die technische Weiterentwicklung von Spannungsreglern begann mit analogen Schalt-Topologien, die effizienter sein sollten. Dazu wurde ein Digitalteil mit begrenzten CCM-Funktionen hinzugefügt. Heutige digitale Schaltregler (Bild 3) sind wesentlich leistungsfähiger als frühere Topologien. Ähnlich wie bei analogen Schaltreglern erfordern auch digitale Regler einen Regelkreis und eine Leistungsstufe. Die Leistungsstufe für einen digitalen Schaltregler ähnelt der eines analogen Schaltreglers. Der Regelkreis eines digitalen Reglers wird mit digitalen und Mixed-Signal-ICs implementiert. Ein Vorteil der Digitaltechnik ist, dass sich umfangreiche CCM-Funktionen integrieren lassen. Diese weisen wesentlich mehr Vorteile auf, als die begrenzte Anzahl von CCM-Funktionen in einem analogen Schaltregler mit Digitalteil. Außerdem erfolgt beim digitalen Schaltregler das Optimieren der Leistungsfähigkeit einfach und automatisch.

Die Kompensationsfunktion in einem digitalen Regler lässt sich als PID-Abgriff (Proportional, Integral, Differential) einfügen. Diese Koeffizienten kommen im digitalen Regelkreis zum Einsatz, um das Antwortverhalten des Spannungsreglers zu definieren. Über Firmware-PID-Abgriffe kann der Entwickler die Leistungsfähigkeit des Reglers über die Software konfigurieren und steuern. Die Charakteristika für das Ansprechverhalten des Schaltkreises lassen sich unbegrenzt ändern – und das ohne das Risiko einzugehen, die Bauteile oder die Platine zu beschädigen. Darüber hinaus ist Systemverhaltens-Überwachen möglich, und auch die Performance des Spannungsreglers lässt sich während der gesamten Produktlebensdauer neu abstimmen. Diese einfache Möglichkeit zur Anpassung der Performance entspricht in unserer Analogie dem Knopfdruck zur Fahrwerksabstimmung, wie sie in einigen Fahrzeugen vorhanden ist.

Automatische Kompensation

Fortschrittliche Digitalregler-Controller können den Regler automatisch für optimale Performance kompensieren, indem die Charakteristika der Ausgangsspannungs-Signalform überwacht werden. Bei der automatischen Kompensation benötigt der Entwickler keine besondere Erfahrung, Fähigkeiten und Tools, um die Leistungsfähigkeit des Spannungsreglers zu optimieren. Bei einem Regler mit analoger Kompensation muss der Entwickler diese so einstellen, dass die Ausgangsspannungs-Charakteristika beispielsweise bei sich ändernden Bauteiltoleranzen, Alterung, Temperatur, Eingangsspannung akzeptabel sind. Das heißt, der Schaltkreis arbeitet nie an seinem optimalen Leistungspunkt. Digitale Spannungsregler mit automatischer Kompensation sorgen dafür, dass der Regler stets am optimalen Leistungspunkt arbeitet – unabhängig von jeglichen Systemänderungen. Die automatische Kompensation entspricht in unserer Analogie einem Mechaniker, der stets im Fahrzeug sitzt, um die Fahreigenschaften zu optimieren, ohne dass sich der Fahrer oder die Insassen darum kümmern müssen.

Die richtige Auswahl

Laut CUI ist das Unternehmen der einzige PoL-Modulhersteller, der verschiedene Serien kommerzieller digitaler Spannungsregler mit automatischer Kompensation im Produktportfolio hat.

Mit der richtigen Kompensation von Spannungsreglern lässt sich die optimale Leistungsfähigkeit in einem System erzielen. Die Anpassung der Schaltkreis-Performance mit herkömmlichen analogen Schaltreglern birgt hohe Risiken. Anbieter analoger Spannungsregler basierter POL-Module bieten Lösungen, mit denen sich die Kompensation vereinfacht, bei denen die Auswahl für den Anwender aber eingeschränkt ist. Digitale Spannungsregler haben hingegen Firmware-basierte CCM-Funktionen; sie betreiben den Regler bei optimaler Performance. Alle diese Topologien erfordern jedoch ein Entwicklerteam, das spezielle Tools und Know-how im Bereich Stromversorgungsdesign besitzt.

Bruce Rose

1894.jpg
ist Technical Marketing Manager bei CUI Inc. in Tualatin, Oregon, USA.

(rao)

Sie möchten gerne weiterlesen?

Registrieren Sie sich jetzt kostenlos:

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.
*

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

Mit der Registrierung akzeptiere ich die Nutzungsbedingungen der Portale im Industrie-Medien-Netzwerks. Die Datenschutzerklärung habe ich zur Kenntnis genommen.

Sie sind bereits registriert?