Schaltnetzteile geschickt einsetzen Spannung dynamisch variieren

Möglichkeiten zum Variieren von Schaltnetzteilen.
Möglichkeiten zum Variieren von Schaltnetzteilen.

In manchen Anwendungen wird eine Möglichkeit zum Variieren der Ausgangsspannung des Netzteils benötigt. Und nahezu jedes Schaltnetzteil lässt sich so ergänzen, dass die Ausgangsspannung variiert werden kann. Dafür sind nur wenige Schritte nötig.

Das Variieren der Ausgangsspannung ist zum Beispiel bei der Versorgung eines Gleichstrommotors praktisch, wenn die Pulsweiten-Modulation (PWM) aus EMI-Gründen nicht in Frage kommt. Ein weiteres Beispiel sind Stromversorgungen für Audioverstärker, denn speziell in Klasse-A- und Klasse-A/B-Verstärkern kommt es bei niedrigen Lasten zu hohen Verlusten, die durch Absenken der Versorgungsspannung entscheidend verringert werden können. Auch bei Klasse-D-Verstärkern bewirkt das Absenken der Versorgungsspannung bei geringer Leistung eine Verbesserung des Wirkungsgrads. Die Methoden zur Variation der Ausgangsspannung lassen sich in drei Klassen einteile: die analoge, die digitale und die digital-analoge Lösung.

 

Die analoge Lösung

Jedes Schaltnetzteil enthält einen Fehlerverstärker, bei dem es sich um einen normalen Operationsverstärker handeln kann (Bild 1) oder um einen Transkonduktanz-Verstärker. Die Funktion ist aber stets identisch, und so lässt sich auch die Variierbarkeit der Ausgangsspannung auf die gleiche Weise umsetzen. Der Fehlerverstärker vergleicht die Spannung am Feedback-Spannungsteiler (UFB) mit seiner internen Referenzspannung (UREF) und stellt das Tastverhältnis des PWM-Signals so ein, dass die Differenz null wird. Die Referenzspannung liegt üblicherweise zwischen einigen hundert Millivolt und dem einstelligen Voltbereich. Die Ausgangsspannung muss deshalb mit dem Feedback-Spannungsteiler bestehend aus R1 und R2 herabdividiert werden. Zwischen dem Eingang (FB) und dem Ausgang (COMP) des Fehlerverstärkers befindet sich das Kompensationsnetzwerk, das – wenn es korrekt dimensioniert ist – eine gute Regelung der Ausgangsspannung über alle Netz- und Lastbedingungen hinweg gewährleistet.

Diese externen Bauelemente sind normalerweise festgelegt, da ein Spannungswandler für eine nicht-variable Ausgangsspannung ausgelegt ist. Wenn man aber eine externe Spannung (UADJ) über einen definierten Widerstand (R3) an den Feedback-Anschluss des Fehlerverstärkers legt, fließt ein zusätzlicher Strom über den low-seitigen Widerstand (R2) nach GND und verursacht damit einen zusätzlichen Spannungsabfall. Dies lässt die Spannung am FB-Eingang ansteigen, woraufhin der Fehlerverstärker das Tastverhältnis reduziert, bis die Spannung am FB-Eingang wieder gleich der Referenzspannung ist. „Analog“ ist diese Methode, weil in diesem Fall eine analoge Spannung zum Variieren der Ausgangsspannung dient. Korrekt implementiert, sorgt diese Technik dafür, dass die Ausgangsspannung des Netzteils proportional zur analogen Einstellspannung ist.

An einem kurzen Beispiel soll die Berechnung der drei Widerstandswerte demonstriert werden. Dazu zunächst die Rahmenbedingungen:

  • Minimale Ausgangsspannung: UOUTmin = 5,0 V
  • Maximale Ausgangsspannung: UOUTmax = 12,0 V
  • Minimale Einstellspannung: UADJmin = 0,0 V
  • Maximale Einstellspannung: UADJmax = 3,3 V
  • Referenzspannung: UREF = 0,6 V

Wenn UADJ gleich 0,0 V ist, liegt der Widerstand R3 praktisch parallel zu R2 und die Ausgangsspannung hat ihren maximalen Wert. Ist UADJ auf 5,0 V eingestellt, fließt durch R3 ein Strom, der sich zu dem Strom in R1 addiert. In diesem Fall hat die Ausgangsspannung ihren kleinsten Wert. Zu beachten ist hierbei, dass die Ausgangsspannung niemals kleiner als die Referenzspannung werden kann.

Die Werte der drei Widerstände lassen sich jetzt in vier Schritten einfach berechnen (siehe Kasten „Analoge Lösung“).

Die externe Spannung zum Einstellen der Ausgangsspannung des Netzteils lässt sich auf verschiedene Weise erzeugen. Meist wird ein geglättetes PWM-Signal oder die Ausgangsspannung eines D/A-Umsetzers (DAC) verwendet, wie in Bild 2 gezeigt. Die erste Methode wird häufig genutzt, weil sie sehr einfach und kostengünstig ist. Meist ist in einem System, das eine einstellbare Ausgangsspannung benötigt, sowieso ein Mikrocontroller vorhanden. Ein Ausgang mit PWM-Funktion kann eine Rechteckwelle erzeugen, die sich mithilfe eines Tiefpassfilters in eine gemittelte Gleichspannung verwandeln lässt. Damit man eine wirklich glatte analoge Spannung erhält, sollte die Bandbreite des Tiefpasses um mindestens eine Dekade kleiner sein als die Frequenz des PWM-Signals. Die Schrittweite, mit der die Ausgangsspannung eingestellt werden kann, hängt direkt von der Auflösung des PWM-Signals ab.

Die zweite Methode beruht auf der Verwendung eines D/A-Umsetzers wie des DAC5311. Wenn mehrere einstellbare Ausgangsspannungen benötigt werden und die Zahl der PWM-Ausgänge des Mikrocontrollers begrenzt ist, lassen sich mehrere D/A-Umsetzer parallel über den SPI-Bus steuern. Dabei richtet sich die Schrittweite nach der Auflösung des DAC. Die im Beispiel benutzte DAC-Familie bietet Auflösungen zwischen 8 bit (DAC5311) und 16 bit (DAC8411) und kann somit jeden Auflösungsbedarf zum Einstellen der Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils abdecken.