Schaltungspraxis - Schaltregler Wie lassen sich Spannungs- und Stromregelung kombinieren?

Eine Operationsverstärkerschaltung koppelt die Strom- und Spannungs-Messignale auf den Reglereingang.
Eine Operationsverstärkerschaltung koppelt die Strom- und Spannungs-Messignale auf den Reglereingang.

Am Beispiel mit einem PWM-Controller wird gezeigt, wie sich eine genaue Strom- und Spannungsregelung implementieren lässt. Die Regelung beider Parameter ist keineswegs auf den Ausgang beschränkt: Jeder messbare Strom und jede messbare Spannung in einem Wandler können geregelt werden.

Ein typisches Netzteil stellt eine festgelegte Ausgangsspannung und einen bestimmten maximalen Strom zur Verfügung, der entweder fest vorgegeben oder einstellbar sein kann. Schaltregler-ICs mit integrierten Leistungs-MOSFETs haben im Allgemeinen eine fest eingestellte Strombegrenzung, wogegen Controller-ICs für externe Leistungs-MOSFETs meist die Möglichkeit bieten, die Ansprechschwelle der Strombegrenzung extern festzulegen. In beiden Fällen wird die entweder am MOSFET oder an einem Messwiderstand gemessene Spannungsdifferenz mit einer Referenzspannung verglichen. Ist die gemessene Spannung größer als die Referenzspannung, hängt die Reaktion des Netzteils davon ab, wie der Überstromschutz implementiert ist.

Eine Methode besteht darin, den Schaltregler für eine gewisse Zeitspanne abzuschalten und anschließend wieder zu starten. Während der Abschaltphase geht die Ausgangsspannung zurück und es wird kein Strom mehr an die Last abgegeben. Dieses Verhalten ist typisch für einen einfachen Überstromschutz.

Die zweite Methode basiert darauf, dass der MOSFET beim Erreichen des eingestellten Maximalstroms, d.h. wenn die höchstzulässige Spannung am MOSFET oder Messwiderstand detektiert wird, abgeschaltet wird. Der Wandler arbeitet dabei weiter, und es wird lediglich die Einschaltzeit verringert. Dieses Verhalten wird als zyklusweise Strombegrenzung bezeichnet. Wird die Last weiter erhöht, bleibt der Ausgangsstrom konstant und die Spannung nimmt ab. Mit dieser Methode lässt sich eine Art Ausgangsstromregelung realisieren, wie sie beispielsweise bei großen Lastkapazitäten während der Anlaufphase benötigt wird. Lastspitzen haben außerdem kein Abschalten des Netzteils mehr zur Folge. Wegen der hohen Toleranz, die mindestens ±10 % der Referenzspannung beträgt, ist jedoch mit diesem Verfahren keine präzise Stromregelung möglich, wie sie beispielsweise zum Laden von Akkus benötigt wird. Für Anwendungsfälle dieser Art müssen die Spannung und der Strom in einem schmalen Toleranzband gehalten werden, damit eine lange Akkulebensdauer gewährleistet ist und Schäden infolge Überladung verhindert werden. Der Regler muss hier deshalb sowohl den Ausgangsstrom als auch dies Ausgangsspannung präzise regeln.

Strom- und Spannungsmessung

Der als Beispiel verwendete SEPIC-Wandler muss hohe gepulste Lastströme bereitstellen. Da die Eingangsquelle des Wandlers nur einen bestimmten maximalen Strom liefern kann, müssen die gepulsten Ausgangsströme von einem großen Ausgangskondensator kommen. Gleichzeitig gilt es den Eingangsstrom so zu begrenzen, dass es zu keiner Überlastung der Quelle kommt. Bild 1 zeigt das vereinfachte Schaltbild des Wandlers mit dem integrierten Aufwärtswandler LM5001 – hier in der SEPIC-Konfiguration – sowie den großen Elektrolytkondensator am Ausgang. Die Begrenzung und Regelung des Eingangsstroms erfolgt üblicherweise direkt am Eingang, d.h. noch vor dem Eingangskondensator. Für die Beispielschaltung wurde dagegen festgelegt, den durchschnittlichen gepulsten Strom an der sekundärseitigen Gleichrichterdiode auf 135 mA zu regeln und zu begrenzen, wodurch sich auch eine Begrenzung des Eingangsstroms ergibt. Es wäre ebenso möglich den Eingangsstrom direkt zu regeln. Dazu müsste die Schaltung mit dem Strommesswiderstand vor dem Eingangskondensator angeordnet werden. Die Ergebnisse wären identisch.

Der in den Ausgangskondensator fließende Strom wird mit einem Messwiderstand und einem Verstärker gemessen. In den meisten Fällen werden für diese Aufgabe spezielle Bausteine  eingesetzt, wie sie beispielsweise Texas Instruments in seiner INAxxx-Reihe anbietet. Diese ICs bieten einen großen Gleichtaktbereich und ermöglichen teilweise auch die bidirektionale Erfassung. Sie sind für diese Art der Strommessung optimiert und arbeiten mit fest eingestellter Verstärkung, wodurch sich die Zahl der externen Bauelemente verringert. Alternativ lässt sich die Strommessung auch mit einem als Differenzverstärker beschalteten Operationsverstärker realisieren. In dem Beispiel hier kommt ein Rail-to-Rail-Verstärker des Typs TLV274 zum Einsatz, der keine negative Versorgungsspannung benötigt.