Emulieren statt messen – Neues Reglerkonzept für Buck-Wandler

In den vergangenen Jahren stieg die Leistungsfähigkeit der Schaltregler ständig, weil die Bausteine höhere Schaltfrequenzen und Leistungsdichten ermöglichten. Allerdings sind alle diese technischen Verbesserungen sinnlos ohne eine sorgfältige Analyse der Applikation und der daraus resultierenden Restriktionen für das im Design angewandte Reglerkonzept. Der vorliegende Beitrag fasst diese Einschränkungen zusammen und hebt die Vorteile der neueren Emulated-Current-Mode- Technik hervor.

In den vergangenen Jahren stieg die Leistungsfähigkeit der Schaltregler ständig, weil die Bausteine höhere Schaltfrequenzen und Leistungsdichten ermöglichten. Allerdings sind alle diese technischen Verbesserungen sinnlos ohne eine sorgfältige Analyse der Applikation und der daraus resultierenden Restriktionen für das im Design angewandte Reglerkonzept. Der vorliegende Beitrag fasst diese Einschränkungen zusammen und hebt die Vorteile der neueren Emulated-Current-Mode- Technik hervor.

 [1]    Pbias = Iq x Vin

 [2]    Pcond = D x RDS(on) x Iout2

 [3]    Pcond = (Iout x Vin/2) x f x (tLH + tHL)

 [4]    Pdiode = Iout x (1-D) x Vfw

 [5]    Tj = Tamb + Pregulator x OJC

Anstatt das Tastverhältnis mit einer konstanten Sägezahnrampe zu regulieren, wird bei der Current-Mode-Regelung ein durch den Strom in der Ausgangsinduktivität erzeugtes Sägezahnsignal verwendet (Bild 3). Ein Stromabtastverstärker (Ai) erfasst den Strom in der Induktivität, indem er den Strom im Haupt- MOSFET misst, während dieser leitend ist. Eine feste Korrektur- Rampe (Se) wird addiert, um subharmonische Oszillationen bei Tastverhältnissen über 50% zu vermeiden (Slope-Kompensation). Am Beginn einer jeden Periode schaltet der Controller den Schalter ein, und der Strom steigt an. Sobald die Summe aus Se und Sn größer ist als VC, wechselt der Komparatorausgang in den Low- Zustand und der ausgangsseitige Schalter schaltet ab.

Die Current-Mode-Regelung bietet viele Vorteile. So teilt sich der Strom zwischen mehreren parallel geschalteten Phasen günstig auf. Weil die Kennlinie des ausgangsseitigen LC-Filters nur eine Polstelle aufweist, lässt sich die Schaltung besser kompensieren. Außerdem besitzt diese Regelung eine präzise, zyklusweise arbeitende Strombegrenzung und ist unempfindlich gegenüber eingangsseitigen Störungen. Zu den größten Nachteilen der Current-Mode-Regelung gehört die schwierige Strommessung bei niedrigen Tastverhältnissen. Die Messung kann sehr störempfindlich sein, was zeitweilig eine sehr fehlerhafte Modulation zur Folge haben kann.

Die Signallaufzeiten und die Störempfindlichkeit machen den Einsatz der konventionellen Current-Mode-Regelung beinahe unmöglich, wenn Buck-Schaltregler hohe Eingangsspannungen in niedrige Ausgangsspannungen verwandeln und deshalb mit sehr kurzen Ein- Zeiten arbeiten müssen. Das Problem, den Strom in Buck- Schaltreglern mit hoher Schaltfrequenz zu messen, lässt sich mit einer neuen Methode lösen, welche den Strom durch die Spule nicht mehr real misst, sondern lediglich emuliert. Rekonstruieren lässt sich dieser Wert, indem man am Ende des Schaltzyklus den Strom in der Freilaufdiode misst und zu einem Rampensignal addiert, das proportional zur Stromrampe in der Induktivität ist. Zur Emulation des Rampenanteils des Stroms in der Induktivität wird ein externer Kondensator mit einem Strom geladen, der proportional zur Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung ist. Daher ist die daraus resultierende Rampenspannung am Kondensator proportional zum Rampenstrom in der Induktivität (Bild 4).

Der »Emulated-Peak-Current- Mode« bietet alle Vorzüge der klassischen Current- Mode-Regelung, allerdings ohne das Problem der Störempfindlichkeit, den der Sperrverzögerungsstrom der Diode häufig verursacht, ohne Oszillationen am Schalt-Knoten sowie ohne die Verzögerungen bei der Strommessung. Dabei werden sehr kurze On-Intervalle erreicht, eine Grundvoraussetzung für die Erzeugung niedriger Ausgangsspannungen aus hohen Eingangsspannungen. National Semiconductor hat ihre etablierte Schaltreglerfamilie »Simple Switcher« durch eine neue Generation von Reglern mit einem weiten Eingangsspannungsbereich von 6 V bis 75 V ergänzt. Die neue Reihe arbeitet nach dem Emulated- Current-Mode-Prinzip, das laut Hersteller ein gutes Ansprechverhalten, sehr kleine Tastverhältnisse und reduzierte Störempfindlichkeit ermöglicht. Die Schaltfrequenz ist bis 1 MHz einstellbar und synchronisierbar. (rh)