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

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