Intern kompensierte Advanced-Current-Mode-Regelung (ACM)

DC/DC-Regelungsmethoden lassen sich abhängig von ihrer Modulationsmethode in zwei Kategorien einteilen:

• Bei Constant-On-Time-Regelungen (COT) ist die Einschaltzeit eine Funktion der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der Schaltfrequenz (letztere kann bei der Reaktion auf Netz- und Laständerungen variieren).
• Der Festfrequenz-Betrieb wird von Strom- oder Spannungs-Regelungen geboten. Hier bestimmt ein voreingestellter Taktoszillator die Schaltfrequenz, während die Einschaltzeit entsprechend der Reaktion des Regelkreises auf Netz- oder Laständerungen variieren kann.

Jede DC/DC-Regelungsmethode ist durch bestimmte Vorteile sowie entsprechende Abstriche gekennzeichnet. Zum Beispiel wird auf dem Server-Markt die COT-Regelung bevorzugt, weil sie ohne Kompensationsaufwand ein schnelles Einschwingverhalten bietet, wenn auch auf Kosten stärkerer elektromagnetischer Abstrahlungen (EMI). In der Telekommunikation wird dagegen der Strom- oder Spannungsregelung der Vorzug gegeben, weil ihr EMI-Aufkommen dank des Festfrequenz-Betriebs geringer ist, allerdings verbunden mit einem langsameren Einschwingverhalten. Die Spannungs- oder Stromregelung mit einem Festfrequenz-Modulator verlangt außerdem nach Kompensations-Schaltungen vom Typ II oder III, um eine akzeptable Bandbreite und die aus Stabilitätsgründen nötige Phasenreserve zu erreichen. Dies aber erhöht die Komplexität, die Abmessungen und die Kosten der Lösung.

Externe Kompensations-Maßnahmen für die Spannungs- und Stromregelung wurden intensiv untersucht, und zahlreiche Applikationsschriften und Datenblätter geben detaillierte Empfehlungen für das Design und die Optimierung des Regelkreises. Käme die Regelungsmethode ohne externe Kompensation aus, würde dies eine einfachere, dichtere und kosteneffektivere Lösung ermöglichen. Die zusätzliche Möglichkeit zur Synchronisation zu einem externen Takt für einen echten Festfrequenz-Betrieb unter gleichzeitiger Wahrung eines schnellen Einschwingverhaltens würde den traditionellen COT-Anwendern außerdem den Vorteil eines geringen EMI-Aufkommens bieten.

Bild 1: Prinzipschaltung der Spannungsregelung (a) und der Stromregelung (b). Texas Instruments

Bild 2: Kompensationsnetzwerk vom Typ III für die Spannungsregelung mit der zugehörigen Kompensationskurve (a); Kompensation des Typs II für die Stromregelung mit der entsprechenden Kompensationskurve (b). Texas Instruments

Dieser Artikel präsentiert eine neue Regelungs-Topologie auf Basis eines Festfrequenz-Modulators. Sie kommt ohne eine komplizierte externe Kompensationsstruktur aus und ihr Regelkreis spricht schnell auf Lasttransienten an. Die neue Topologie vereint die besten Eigenschaften der COT-Regelung und der Spannungs- und Stromregelung bei gleichzeitiger Minimierung der jeweiligen Nachteile und einer Reduzierung der Leiterplattenfläche, während ihre einfache Anwendung den Produktionszyklus verkürzt.

Traditionelle Festfrequenz-Regelungsmethoden

Die Spannungsregelung verwendet einen einzigen Spannungsregelkreis mit einer festgelegten Taktrampe. Ein relativ komplexes Netzwerk des Typs III mit zwei Pol- und zwei Nullstellen kompensiert den Regelkreis so, dass bei der LC-Resonanzfrequenz eine Phasenreserve von mehr als 90° vorliegt. Im Unterschied zur Spannungsregelung benötigt die Stromregelung einen sekundären, inneren Stromregelkreis, der den Strom in der Induktivität für den PWM-Komparator (Pulsweiten-Modulation) abtastet. Dieser innere Stromregelkreis macht die Induktivität zu einer spannungsgesteuerten Stromquelle, wodurch die aus zwei Polstellen bestehende LC-„Spitze“ in zwei Polstellen aufgespalten wird, von denen eine bei DC beziehungsweise einer niedrigen Frequenz liegt, die andere dagegen bei einer hohen Frequenz. Werden die Polstellen hinreichend separiert, kann die hochfrequente Polstelle ignoriert werden. Mit dieser speziellen Eigenschaft wird die Stromregelung im Prinzip zu einem System mit nur einer Polstelle. Der äußere Spannungsregelkreis nutzt ein einfacheres Kompensationsnetzwerk des Typs II, um die Phasenreserve auf 90° anzuheben.

Bild 1 gibt die grundlegende Regelungsstruktur der beiden gängigsten Festfrequenz-Regelungsverfahren wieder. Für die Spannungsregelung ist ein Spannungsregelkreis vorhanden, für die Stromregelung ein Spannungsregelkreis mit einem zusätzlichen inneren Stromregelkreis.

In Bild 2 sind die Kompensationsnetzwerke des Typs II und III dargestellt. Die meisten Stromversorgungs-Designer sind mit dem Design der Kompensation durch Anpassen der externen Bauteile R_S und C_S durchaus vertraut, doch ist die Komplexität kaum zu vernachlässigen. Änderungen an den Designparametern machen neue Kompensations-Designs erforderlich, um die geänderten Spezifikationen zu erfüllen. Angesichts des wachsenden Leistungsniveaus in einem ohnehin schon dicht bestückten System macht die Forderung nach hoher Leistungsdichte eine konservative Herangehensweise bei den zusätzlichen Bauteilen immer kritischer.

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Bild 3: Signalverläufe zu den verschiedenen Regelungsarten: PCM (a), Talstrom-Modus (b) und COT (Pseudo-Stromregelung) (c). Texas Instruments

Bei der traditionellen Stromregelung wird die Strominformation auf dreierlei Weise implementiert – als Peak Current Mode (PCM, deutsch: Scheitelstromregelung), Valley Current Mode (VCM, deutsch: Talstromregelung) und Average Current Mode (ACM, deutsch: Durchschnittsstromregelung). PCM (Bild 3a) ist die am weitesten verbreitete Variante. Die Regelung erfolgt durch einen Vergleich des Scheitelstroms in der Induktivität mit der Regelspannung. Wird das Tastverhältnis größer als 50 Prozent, ist eine Steilheitskompensation erforderlich. Bei der VCM-Regelung (Bild 3b) dagegen wird der Talstrom in der Induktivität mit der Regelspannung verglichen. Hier ist eine Steilheitskompensation notwendig, wenn das Tastverhältnis unter 50 Prozent fällt. Die PCM-Betriebsart zeichnet sich verglichen mit dem ACM-Betrieb, durch ein relativ schnelles Einschwingverhalten aus und wartet außerdem prinzipbedingt mit einer zyklusweisen Strombegrenzung auf.

Ein gravierendes Problem bei der PCM-Betriebsart ist speziell bei hohen Schaltfrequenzen die Tatsache, dass eine bestimmte Mindest-Einschaltzeit erforderlich ist, um die Strominformation korrekt zu erfassen, denn nur so lässt sich das kleine Nutzsignal aus dem starken Rauschen extrahieren. Die Stromerfassungs- und Steilheitskompensations-Schaltungen müssen außerdem sehr breitbandig sein, um die erfasste Strominformation erfassen zu können und den Betrieb mit Schaltfrequenzen im Megahertz-Bereich zu unterstützen.

Bild 3c illustriert das COT-Modulationsschema, bei dem es sich um eine Pseudo-Stromregelung handelt. Es bedient sich des effektiven Serienwiderstands (ESR) und der Stromwelligkeit in der Induktivität zur Erzeugung einer Pseudo-Spulenstromrampe und zeichnet sich gegenüber dem traditionellen PCM-Betrieb durch ein nahezu verzögerungsfreies Einschwingverhalten aus. Die COT-Regelung kann unter statischen Bedingungen eine nahezu gleichbleibende Schaltfrequenz einhalten. Bei einem Anstieg des Laststroms allerdings nimmt die Schaltfrequenz zu, um beim Rückgang des Laststroms wieder abzufallen. Dies dient zur Verbesserung des Einschwingverhaltens. Die Einschaltzeit ist dabei für eine bestimmte Schaltfrequenz durch die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung festgelegt. Die besseren Einschwingeigenschaften haben allerdings ihren Preis, denn die großen Schwankungen der Schaltfrequenz und der relativ starke Jitter erzeugen elektromagnetische Störgrößen – ein Problem für EMI-sensible Anwendungen beispielsweise in der Telekommunikationstechnik.

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Bild 4: Vereinfachtes Schaltbild eines Abwärtswandlers mit ACM (a); Schaltungsteil zum Erzeugen der Stellgröße (b); simulierter Verlauf von VFB und Vctrl. Texas Instruments

Die ACM-Regelung ist ein rampenbasiertes PCM-Regelungsverfahren mit einem intern erzeugten Rampensignal, das ohne externe Kompensation einen echten Festfrequenz-Betrieb erzielt. Es ergibt ein besseres Einschwingverhalten als die traditionelle PCM-Regelung, indem der AC- und der DC-Teil des Spannungsregelkreises und des Rampenregelkreises separat optimiert werden.

Sie behält alle guten Eigenschaften der traditionellen PCM- und COT-Regelungen bei, während deren Nachteile weniger zum Tragen kommen

Hier die wichtigsten Eigenschaften und Vorteile der ACM-Regelung:

• Echte Festfrequenz-Modulation: Bessere Jitter-Eigenschaften und die vorhersagbare Frequenz erleichtern das Design der EMI-Filter.
• Die emulierte Scheitelstrom-Information und eine adäquate DC-Strominformation sorgen für das Splitting der Polstelle mit dem Resultat einer höheren Regelkreis-Bandbreite und einer größeren Phasenreserve.
• Der größere Signal-Rauschabstand ermöglicht Schaltfrequenzen von mehreren MHz, während die hohe Amplitude der emulierten Rampenspannung für eine sehr hohe Störimmunität sorgt.
• Die integrierte, interne Kompensation deckt für Hochstrom-Anwendungen einen weiten Stabilitätsbereich (für Schaltfrequenz, Laststrom und weitere) ab. Dank der internen Kompensation wird kein externes Kompensationsnetzwerk benötigt, die Benutzerfreundlichkeit verbessert sich erheblich, und der Bauteileaufwand und die Leiterplattenfläche werden reduziert.

Bild 4a zeigt in vereinfachter Form die Struktur eines ACM-Systems für einen Abwärtswandler. Es besteht eine Ähnlichkeit mit der traditionellen Stromregelung. Die Abweichung zwischen der vom Ausgang zurückgemeldeten Spannung und der internen Referenzspannung ergibt nach dem Passieren eines Verstärkerblocks die Regelspannung. Die Verstärkung ist wie in Bild 4b gezeigt durch R_n1 und R_n2 gut definiert. Mit Gleichung 1 wird die Regelspannung berechnet, und Bild 4c zeigt den Verlauf von V_FB und V_ctrl.

In Bild 5 ist in vereinfachter Form der Reglerblock der ACM-Topologie gezeigt. Der Reglerkern besteht aus einem Spannungsregelkreis, der die Regelspannung mit einer echten Information über die Abweichung der Ausgangsspannung vom Sollwert liefert, und einem Rampen-Regelkreis, der neben der Information über den Pseudo-Spulenstrom auch einen kleinen Gleichstromanteil beinhaltet. Für den Spannungsregelkreis entfernt ein Integrierglied zunächst jeglichen Gleichstromfehler, bevor ein präzise programmierter Verstärker- und Pegelumsetzer-Block das Signal zur Erzeugung des Regelsignals verstärkt. Ein zusätzlicher Störgrößenaufschaltungs-Block verbessert das Einschwingverhalten. Ein Rampen-Regelkreis verarbeitet die Eingangsspannung und das PWM-Signal zusammen mit der Steilheitskompensation zu einem emulierten Scheitelstromsignal. Die Höhe der Rampenspannung sorgt für weniger Störempfindlichkeit.

Bild 5: Blockschaltbild der ACM-Regelung. Texas Instruments

Der in Bild 5 gezeigte Regelkreiskomparator addiert alle Ausgänge des Spannungs- und des Rampenregelkreises. Jeder PWM-Zyklus endet, wenn die Summe der positiven Eingänge größer ist als die Summe der negativen Eingänge. Zusätzlich zur Regelspannung wird auch die Gleichstrominformation vom masseseitigen FET erfasst und gehalten und anschließend an den Regelkreiskomparator zurückgeführt. Ziel hierbei ist es, den Gütefaktor der Induktivität zu optimieren, um die Spitze mit zwei Polstellen zu reduzieren. Der PWM-Logikblock erzeugt ein PWM-Signal gemäß einem vorgegeben Takt mit fester Frequenz und dem Ausgang des Regelkreiskomparators.

Bild 6: Wichtige Regelsignale im statischen Zustand (a), bei einer stufenförmigen Erhöhung der Last (b) und bei einer stufenförmigen Verringerung der Last (c). Texas Instruments

Bild 6 gibt den Verlauf der Regelsignale wieder. Sind der Rampengenerator und die Steilheitskompensation korrekt programmiert, entspricht V_SLOPE stets der Hälfte der fallenden Flanke der Rampenspannung. Dies wiederum ergibt die beste Steilheitskompensation, ohne dass übermäßige Abstriche am Einschwingverhalten gemacht werden müssen.

Bild 7: Amplituden- und Phasengang mit DC-Strominformation. Texas Instruments

Die interne DC-Stromrückführung verleiht dem Regelkreis während eines Lastsprungs einen zusätzlichen Vorteil, denn eine passende DC-Strominformation hilft bei der Optimierung der Regelspannung. Dies erlaubt die Verwendung eines langsamen Integrierglieds für die Fehlerkorrektur und hilft gleichzeitig bei der Dämpfung der Spitze mit zwei Polstellen, um den Einbruch im Phasengang bei der LC-Resonanzfrequenz zu verringern. Bild 7 gibt Testdaten am realen Halbleiter mit dem richtigen Maß an DC-Information wieder. Zuviel DC-Information würde dagegen die Einschwingzeit nach Lastsprüngen verlängern.

In Bild 8 ist die Sprungantwort des TPS543C20 von TI mit implementierter ACM-Regelung zu sehen. Bei einer sprungförmigen Lastzunahme (Bild 8a) kann der Regelkreis im Festfrequenz-Betrieb bestenfalls die Einschaltzeit des ersten Impulses nach der Laststeigerung verlängern. Bei einer sprungförmigen Verringerung der Last (Bild 8b) besteht die beste Maßnahme des Regelkreises darin, den Einschaltimpuls nach dem Lastrückgang zu beenden. Zusätzlich verbessern lässt sich das Lastsprungverhalten mit weiteren nichtlinearen Methoden, zum Beispiel Einfügen asynchroner Impulse und Body Brake (Bilder 8c und 8d).

Für den ACM-Betrieb wird zur Optimierung in Bezug auf LC, Frequenz und Designvariationen nur ein Widerstand zur Masse benötigt, während traditionelle Strom- und Spannungsregelungen umfangreichere Kompensationsnetzwerke des Typs II oder III benötigen, was die Komplexität des Designs erhöht und mehr Platz auf der Leiterplatte erfordert.

Bild 8: Reaktion auf sprunghafte Lastzunahme (a) beziehungsweise Lastabnahme (b); Vergleich zwischen Einfügung asynchroner Impulse (c) und Body Brake (d). Texas Instruments

Bild 9: Kompensationsbeispiel für die ACM-Regelung im Vergleich mit der Typ-III-Kompensation einer traditionellen Regelung. Texas Instruments

Die meisten existierenden, im echten Festfrequenz-Betrieb arbeitenden und ohne externe Kompensation auskommenden Wandler basieren auf dem traditionellen PCM-Konzept. Bei ihnen wurde die externe Kompensation lediglich in die Schaltung hinein verlagert und so ausgelegt und optimiert, dass eine bestimmte Einsatzbedingung (einschließlich F_SW) abgedeckt ist. Wenn die interne Kompensation einer traditionellen PCM-Regelung einen hinreichend breiten Stabilitätsbereich abdecken muss, wird sich die Kompensation des internen Regelkreises und der Steilheit sehr schwierig gestalten, wenn insbesondere bei großen sprungförmigen Laständerungen eine kurze Einschwingzeit erzielt werden muss. Tabelle 1 zieht einen Vergleich zwischen der traditionellen PCM-Regelung und der ACM-Regelung.

Tabelle 1: Vergleich zwischen traditioneller PCM-Regelung und intern kompensierter ACM-Regelung. Texas Instruments

Der ACM-Regelungsmodus empfiehlt sich für Anwendungen, die nach einer vorhersagbaren Schaltfrequenz verlangen und dennoch ohne externe Kompensation auskommen müssen. Erstmals implementiert ist die ACM-Regelung in der Abwärtswandler-Familie TPS543B20 (25 A) und TPS543C20 (40 A). Die Familie ermöglicht die Parallelschaltung, um am Point of Load bis zu 80 A zur Verfügung zu stellen, und verfügt über eine interne Kompensationsschaltung. Der Festfrequenz-Betrieb sorgt für geringe Störabstrahlungen, und die rein differenzielle Abtastung ergibt eine optimale Genauigkeit für den V_OUT-Sollwert.

(ah)