Höhere Leistungsfähigkeit durch digitale Regler und nichtlineare Regelung Digitale Power – Teil 1

Mit der zunehmenden Verfügbarkeit spezieller Controller zur Implementierung digitaler Regler im Stromversorgungsbereich wird „Digital Control“ immer interessanter für viele Stromversorgungs-Entwickler. Dieser Artikel gibt in Teil 1 eine Hilfestellung bei ersten Schritten auf diesem Gebiet und zeigt, welche zusätzlichen Vorteile die Digitaltechnik dem Anwender bietet. In Teil 2 wird am Beispiel eines Abwärtswandlers gezeigt, wie sich das dynamische Verhalten durch eine nichtlineare digitale Regelung verbessern lässt.

Die Frage, warum eine Stromversorgung digital geregelt werden soll, stellt sich so mancher Entwickler, der sich jahrzehntelang erfolgreich mit der Entwicklung von Schaltreglern beschäftigt hat. Als „alter Hase“ war es für ihn unnötig, darauf hinzuweisen, dass es sich dabei um ein „analog“ geregeltes System handelte. Ein Zusatz „linear“ hätte wahrscheinlich eher auf einen Linearregler – also auf das Gegenteil zu einem Schaltregler – als auf den verwendeten Regelalgorhythmus schließen lassen.

Dabei hatte in vielen neueren Applikationen schon längst der Einsatz von Mikrocontrollern begonnen. So weist der in Bild 1 symbolisch gezeigte Schaltregler bereits eine solche digitale Schnittstelle auf, mit deren Hilfe das Anwendersystem mit der eigenen Stromversorgung kommunizieren konnte, sei es zu Diagnosezwecken oder zum Beeinflussen der von der Stromversorgung gelieferten Ausgangsgrößen Strom und Spannung.

Die echte digitale Regelung, bei der die für die analoge Variante erforderlichen Blöcke wie Fehlerverstärker, Kompensationsnetzwerk und der analoge PWM-Modulator (in Bild 1 gelb dargestellt) durch ihre digitalen Entsprechungen ersetzt wurden, ließ jedoch lange Zeit auf sich warten. Insbesondere bei den hier beispielhaft beschriebenen Abwärtswandlern konnten Standard-Mikrocontroller nicht mit den rasch steigenden Anforderungen dieser Applikationen mithalten.

Immer höhere Schaltfrequenzen, besseres Transientenverhalten, Erhöhung des Laststroms, Verringerung der Ausgangsspannung und Verbesserung der Regelgenauigkeit erforderten deshalb speziell zugeschnittene Funktionsblöcke. Realisieren lassen sich solche rechenintensiven Funktionen z.B. mit digitalen Signalprozessoren, oder wie in Bild 2 gezeigt, mittels besonderer, hardwarebeschleunigter Module.

Auf diesem Prinzip basieren z.B. die Digital Power Controller der UCD9k-Familie von Texas Instruments[1]. Bild 3 zeigt den Einsatz eines UCD911x in der digitalen Regelschleife eines synchron-gleichgerichteten Abwärtswandlers.

Das erste Glied in der Kette des digitalen Reglers ist der Fehler-ADU, der die Differenz aus der heruntergeteilten Ausgangsspannung (UA’) und der internen Referenzspannung URef bildet und diese sofort als digitalen Fehlerwert E ausgibt. Da Regler, egal ob analog oder digital ausgeführt, auf dem Prinzip der Gegenkopplung (negative Rückkopplung) beruhen, wird der Fehlerwert E noch zu –E invertiert, bevor er dem eigentlichen Regler, dem CLA (Control Law Accelerator), zugeführt wird. Der CLA setzt den Fehlerwert dann entsprechend seiner Konfiguration direkt in einen die Einschaltzeit tein und somit das Tastverhältnis TV repräsentierenden Digitalwert U um, welcher dann über die hochauflösende digitale Pulsbreitenmodulation (DPWM) den MOSFET-Treiber UCD7230 ansteuert. Der CLA ist als Look-Up-Tabelle realisiert und bildet einen digitalen PID-Regler. Die CPU des UCD911x wird damit von jeglichen rechenintensiven Aktionen befreit.

Die Stromaufnahme des gesamten Bausteins beträgt deshalb auch nur 8 mA. Mit der DPWM lassen sich Schrittweiten des Tastverhältnisses bis herunter zu 175 ps erzielen. Bei einer angenommenen Schaltfrequenz von 1 MHz, einer Eingangsspannung UE von 12 V, einer Ausgangsspannung UA von 1,2 V und einem daraus resultierenden (theoretischen) Tastverhältnis TV von 10 % bzw. einer Einschaltzeit tein von 100 ns entsprechen die 175 ps einer Schrittweite für die Spannungsausregelung von nur 2,1 mV.

Zur Attraktivität dieser schnellen und gleichzeitig stromsparenden digitalen Schaltregler-Controller trägt auch bei, dass eine Vielzahl zusätzlicher Funktionen quasi „ohne Aufpreis“ mit angeboten wird, die sonst über zusätzliche Hardware realisiert werden müssten.

So lassen sich z.B. die Ausgangsspannung, der maximale Ausgangsstrom, die Schaltfrequenz, die Regelcharakteristik des CLA, das Startverhalten und erforderliches Sequenzing sowie das Zu- und Abschalten der 2. Phase abhängig vom Laststrom per „Software“ einstellen – und das ohne Änderung an der Hardware. Die Konfiguration der Bausteine erfolgt mittels einer graphischen Benutzeroberfläche, der Anwender kommt dabei ohne jegliche Programmierkenntnisse aus.