Current-Mode-Schaltregler Stabil trotz niedrigem Widerstand

Current-Mode-Schaltregler arbeiten viel zuverlässiger und besser als ihre Voltage-Mode-Pendants. Doch wenn die Stromversorgung Ströme über etwa 10 A liefern muss, ist der Spannungsabfall am strommessenden Element sehr gering, was bei Current-Mode-Reglern zu Stabilitätsproblemen führen kann.

Stromversorgungen mit Current-Mode-Schaltregler haben gegenüber den Voltage-Mode-Alternativen eine ganze Reihe von Vorteilen. Sie bieten eine höhere Zuverlässigkeit mit schneller Strommessung von Zyklus zu Zyklus zum Schutz des Ausgangs gegen Kurzschluss und Überlast. Eine im Spannungsmodus geregelte Stromversorgung reagiert langsamer auf einen Überstrom, was in manchen Anwendungen zu Fehlern führen kann. Ihre Rückkoppelschleife lässt sich außerdem einfach und zuverlässig abstimmen. Sie arbeitet auch mit Keramikkondensatoren am Ausgang stabil, was zu geringeren Abmaßen der Lösung führt. Mit Current-Mode-Reglern lässt sich die Stromaufteilung in mehrphasigen Hochstromdesigns einfach und genau realisieren. Ein weiterer Vorteil ist das schnellere Einschwingverhalten.

Doch bei hohen Strömen und niedrigen Spannungen ab etwa 10 A wie sie moderne Mikroprozessoren und DSPs benötigen, kamen bislang üblicherweise Voltage-Mode-Controller zum Einsatz. Grund dafür ist,
dass der geringe Gleichstromwiderstand DCR der Spule, der zu Strommessung herangezogen wird, um teure Strommesswiderstände (Shunts) einzusparen, nur einen kleinen Spannungsabfall mit rampenförmigem Verlauf erzeugt. Dies führt bei Current-Mode-Schaltreglern zu signifikantem Jitter, was die Regelung instabil werden lassen kann. Dieses Problem haben Voltage-Mode-Controller nicht.

In der Vergangenheit musste der DCR der Spule deutlich über 1 mΩ liegen, wenn man die Regelung im Strommodus benutzte. Dieser höhere DCR begrenzte den maximalen Ausgangsstrom wegen der Leistungsverluste in der Spule auf typisch unter 10 A. Der »LTC3774« von Linear Technology ist ein DC/DC-Abwärtswandler mit zwei synchron gleichgerichteten Ausgängen, der im Strommodus arbeitet und trotz der Strommessung über eine Spule mit einem Gleichstromwiderstand von unter 1 mΩ stabil regelt. Damit eignet er sich für Point-of-Load-Regler in Computer- und Telekom-Systemen sowie in industriellen und medizinischen Geräten und Gleichspannungs-Verteilsystemen.

DCR bis 0,2 mΩ herunter

Der LTC3774 kann Leistungsspulen mit sehr kleinem Gleichstromwiderstand bis hinunter zu 0,2 mΩ verwenden, da er das Strommesssignal anhebt. Da die Spule so geringe Verluste hat, kann der Baustein Wirkungsgrade bis zu 95% realisieren, was in Hochstrom-Applikationen die Leistungsdichte erhöht und die Welligkeit der Ausgangsspannung reduziert. Diese neue DCR-Messtechnik verringert auch den Schalt-Jitter, der normalerweise bei Anwendungen mit geringem Gleichstromwiderstand vorhanden ist. Durch die neue Strommessmethode senkt der Baustein die Rauschempfindlichkeit des Messsignals um 14 dB. Die DCR-Temperaturkompensation hält eine konstante und genaue Schaltschwelle für die Strombegrenzung über einen großen Temperaturbereich bei.

Der LTC3774 arbeitet mit externen Power-Train-Bausteinen wie »Power-Blocks« und DrMOS zusammen und auch mit diskreten n-Kanal-MOSFETs und dazugehörigen Gate-Treibern, sodass sich das Design flexibel konfigurieren lässt. Als Eingangsspannungen kann der Schaltregler 4,5 V bis 38 V verwerten, und er generiert eine feste Ausgangsspannung zwischen 0,6 V und 3,5 V. Bis zu zwölf DC/DC-Wandler (Phasen) können parallelgeschaltet und phasenversetzt getaktet werden, um das Eingangs- und Ausgangsfiltern bei sehr hohen Strömen bis zu 360 A zu minimieren.

Der LTC3774 hat eine feste, frei wählbare Betriebsfrequenz zwischen
200 kHz und 1,2 MHz oder er kann mit einem externen Takt synchronisiert werden. Seine beiden differenziellen Verstärker können beide Ausgangsspannungen jeweils über eigene Sense-Anschlüsse messen. Die Strombegrenzung lässt sich für Messspannungen zwischen 10 mV und 30 mV konfigurieren, um Leistungsverluste zu minimieren.

Beispielschaltung

Das Schaltbild in Bild 1 zeigt den LTC3774 mit DrMOS als Leistungsbausteine. Ein DrMOS enthält die Leistungs-MOSFETs und Gate-Treiber, was die Schaltung und das thermische Design vereinfachen kann sowie eine kompaktere Lösung bietet.

Diese Schaltung arbeitet an nominal 12 V Eingangsspannung und liefert 1,5 V mit bis zu 60 A am Ausgang. Eine Spule mit einem DCR von 0,32 mΩ wird verwendet, um den Wirkungsgrad auf über 90% zu steigern (Bild 2).

Der LTC3774 kann für den verlustleistungsarmen Burst-Betrieb, Pulse-Skipping mit konstanter Frequenz oder, bei kleinen Lastströmen, für einen erzwungenen kontinuierlichen Strommodus konfiguriert werden. Im Burst-Modus macht der Wandler bei niedriger Last einige Schaltzyklen, um die Ladespannung am Ausgangskondensator zu erhalten. Dann schaltet sich der Baustein ab und geht in den Schlafmodus über. Der Ausgangskondensator liefert den Laststrom, und wenn dessen Spannung auf einen programmierten Pegel abgesunken ist, startet der Wandler erneut und liefert wieder Strom, um die Ladespannung erneut anzuheben. Diese Methode steigert den Wirkungsgrad bei kleinen Lasten signifikant.

Der LTC3774 regelt auf den Spitzenstrom und arbeitet mit konstanter Frequenz. Dies garantiert eine Spitzenstrombegrenzung und exakte Stromverteilung zwischen den parallelgeschalteten Phasen von Zyklus zu Zyklus. Er ist wegen seiner speziellen Architektur, die das Signal/Rausch-Verhältnis der strommessenden Schaltung verbessert, besonders gut geeignet für Stromversorgungen, die kleine Spannungen und hohe Ströme liefern. Das verbesserte Signal/Rausch-Verhältnis minimiert Jitter auf Grund des Schaltrauschens, der das Signal verfälschen könnte. Im Vergleich zu einem normalen Current-Mode-Controller sinkt der Schalt-Jitter um mindestens 60%.

Die Schaltschwelle der Strombegrenzung ist eine Funktion des Spitzenstroms der Spule und ihrem DCR-Wert und kann in 5-mV-Schritten zwischen 10 mV und 30 mV eingestellt werden. Der Strombegrenzungsfehler von Baustein zu Baustein beträgt nur 1 mV über den gesamten Temperaturbereich. In Anwendungen, in denen eine Spule mit höherem DCR-Wert oder ein Shunt mit höherem Wert benötigt wird, kann der LTC3744 wie jeder typische Current-Mode-Controller konfiguriert werden, indem man den SNSD+-Pin deaktiviert und auf Masse legt. Ein RC-Filter kann benutzt werden, um das Ausgangssignal der Spule zu messen. Wird das RC-Filter verwendet, wird dessen RC-Zeitkonstante auf den gleichen Wert wie der von L/DCR der Ausgangsspule eingestellt.

Bild 3 zeigt das Einschwingverhalten eines Ausgangs bei einem Lastschritt von 15 A auf 30 A, getestet mit der Schaltung aus Bild 1. Die Ausgangsspannung schwingt nach weniger als 50 µs ein und die maximale Spannungsabweichung vom Nominalwert beträgt 75 mV.

Über den Autor:

Bruce Haug ist Senior Product Marketing Engineer bei Linear Technology.