Stromversorgung Digitale stromgeführte Spitzenwertregelung von DC/DC-Wandlern

Zur Implementierung einer stromgeführten Regelung auf den Spitzenwert mit Kompensation des Stromanstiegs eignet sich der Mikrocontroller TMS320F28027 (Piccolo A) von Texas Instruments. Er verfügt über alle Hardware-Blöcke, um die Stromanstiegs-Kompensation vollständig digital auszuführen. Ausgehend von der prinzipiellen Funktionsweise werden die mathematischen Modelle und die relevanten Gleichungen vorgestellt, die für eine Schaltungsentwicklung - sowohl für die analogen als auch für die digitalen Aspekte - benötigt werden.

Ein digitaler, spitzenstromgeregelter Abwärtswandler arbeitet ähnlich wie sein analoges Gegenstück (Bild 1). Jedoch ersetzt beim digital geregelten DC/DC-Wandler ein Mikroprozessor Schaltungsteile wie das Kompensationsnetzwerk, den Fehlerverstärker, die Stromanstiegs-Kompensation und den PWM-Generator (Bild 2).

Die digitale, stromgeführte Spitzenwertregelung arbeitet wie folgt: Zu Beginn ist das Tastverhältnis auf 100 % eingestellt und der PWM-Generator wird mit einem „High“-Pegel angesteuert. Die Ausgangsspannung (UA) des DC/DC-Wandlers liegt, über einen Spannungsteiler reduziert, am A/D-Umsetzereingang des Piccolo-Mikrocontrollers an.

Eine digitale Referenzspannung (REF) wird von dem digitalen Wert der Ausgangsspannung subtrahiert und der daraus resultierende Fehlerwert wird als Eingangswert für den digitalen Regler mit zwei Pol- und zwei Nullstellen verwendet. Dies entspricht dem Fehlerverstärker und dem Kompensationsnetzwerk der analog geregelten Wandlerschaltung.

Der Ausgangswert des digitalen Reglers wird dann mit dem Verstärkungsfaktor K multipliziert. Mit dieser Verstärkung wird die Ausgabe des Reglers an den Arbeitsbereich des D/A-Umsetzers angepasst, der den invertierenden Eingang des Komparators ansteuert. So wird den von den unterschiedlichen Verstärkungen des Regelungssystems ausgehenden Effekten entgegengewirkt. Der Verstärkungsfaktor K kann berechnet werden, um die gewünschte Durchtrittsfrequenz zu erzielen. Weitere Informationen dazu folgen im Schaltungsbeispiel.

An dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators ist ein Stromwandler angeschlossen, dessen Verstärkung anhand des Ri-Blocks berücksichtigt wird. Die beim Einschalten des Leistungs-MOSFETs entstehende Stromspitze kann als Anstiegsflanke mit dem Austast-Block der Piccolo-MCU gezielt austastet und ignoriert werden. Der Zustand am Komparatorausgang ändert sich, wenn der Messwert des Spulenstroms den Spannungspegel am Ausgang des D/A-Umsetzers erreicht.

Dadurch wird in jedem Taktzyklus ein wiederkehrendes Auslöseereignis innerhalb des digitalen Komparator-Submoduls des PWM-Moduls realisiert. Das Ansteuersignal für den PWM-Generator wechselt für den Rest der Schaltperiode auf „Low“-Pegel. Somit wird das Tastverhältnis, wie beim analog geregelten DC/DC-Wandler, vom Spitzenwert des Spulenstromes der Leistungsstufe bestimmt. Mit dieser digitalen Implementierung der stromgeführten Spitzenwertregelung wird, wie beim analogen Regler, die erwünschte zyklische Spitzenstrombegrenzung realisiert.