Auswahl eines PWM-Controllers für eine enge On-Time-Abwärtswandlung Hybride Regelung für Stromversorgungen

Die Einschränkung bei der Modulationsregelung löst der VCM-Schaltregler.
Die Einschränkung bei der Modulationsregelung löst der VCM-Schaltregler.

Alle Betriebsarten zur Modulationsregelung weisen ihre eigenen Einschränkungen auf. Ein Abwärts-Schaltregler mit einem hybriden Valley Current Mode, kurz: VCM, und einer adaptiven Flankenkompensation ermöglicht die flexiblere Entwicklung von Stromversorgungslösungen.

Die Auswahl eines PWM-Controllers ist komplizierter geworden, seitdem moderne DSPs, FPGAs und CPUs mit immer niedrigeren Versorgungsspannungen arbeiten und zunehmend mehr Strom aufnehmen. Spannungen unter 1 V sind bereits weit verbreitet, während die Zwischenbusspannungen je nach Anwendung entweder gleich geblieben oder gar gestiegen sind. Auch die Systemfrequenzen haben ständig zugenommen, um kleinere LC-Filter zu unterstützen; aus 500 kHz im Vorjahr sind mittlerweile 1 MHz geworden.

In Hochspannungsapplikationen, bei denen eine geringere Ausgangsspannung benötigt wird, haben sich die Entwickler von Stromversorgungen klassischerweise auf Module verlassen, welche die Systemkosten in die Höhe treiben, oder auf zweistufige DC/DC-Lösungen, welche sowohl den Platzbedarf der Lösung als auch die Komplexität erhöhen. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit den Trends, welche die enge Einschalt-PoL-Umwandlung beeinflussen, und vergleicht die in der Regel verwendeten Current-Mode-Control-Architekturen. Eine hybride Talstrom-Architektur (Valley Current Mode; VCM) mit adaptiver Flankenkompensation wird untersucht, einschließlich deren Verwendung in einem neuen synchronen 60-V-Aufwärtswandler, der zum einen den stabilen Betrieb über einen weiten Bereich von Uin- und Uout-Kombinationen zu gewährleisten vermag und sich zum anderen durch ein geringes Tastverhältnis auszeichnet, das eine direkte Umwandlung von 48 V auf 1 V (PoL) ermöglicht.

Die Notwendigkeit einer engen PoL-Wandlung

Der Buck-Schaltregler stellt die meistverwendete Stromversorgungs-Topologie dar. Jüngste Trends deuten darauf hin, dass Schaltregler der nächsten Generation in der Lage sein müssen, einen stabilen und effizienten Betrieb bei sehr kleinem Tastverhältnis bereitzustellen. Zwar bietet der Ansatz einer Current-Mode-Regelung im Vergleich zur Voltage-Mode-Regelung zahlreiche Vorteile, doch weist er – abhängig von den Anwendungsanforderungen – ebenfalls seine eigenen Einschränkungen auf, insbesondere hinsichtlich der Grenzwerte des Tastverhältnisses.

Generell basieren Energieversorgungssysteme in der Telekommunikation sowie im industriellen Umfeld auf einer Mehrstufen-Wandlung. Dabei findet eine kontinuierliche Verschiebung bei Stromversorgungssystemen statt, in deren Verlauf die PoL-Eingangsspannungen nach und nach von 3,3 V über 5 V bis 12 V angesteigen. Angesichts der zunehmenden Leistungsanforderungen sind 12-V-Schienen mittlerweile häufig anzutreffen, wohingegen 3,3-V-Schienen seltener sind. Dieser Trend zu höheren Eingangsspannungen ist zum Teil auf Leiterwiderstandverluste (I²R-Verluste) zurückzuführen, aber auch auf damit verbundene Probleme im Niederspannungsverlauf infolge des höheren Stroms.

In letzter Zeit bewegen sich die Werte auf sehr viel höhere Spannungen zu, beispielsweise 24 V bis ~42 V für industrielle Anwendungen und 48 V für die Telekommunikation. Beständige Technologieverbesserungen machten die Regelung enger Impulse möglich. Gleichzeitig zeigen neue Untersuchungen, dass eine höhere Eingangsspannung Voraussetzung für einen höheren Gesamtwirkungsgrad ist, gleichzeitig die Systemkosten senkt und durch die Temperaturabsenkung im Verteilungsweg zur Systemzuverlässigkeit beiträgt.

Ein weiterer Faktor, der die Forderung nach einem engen PWM-Impuls vorantreibt, ist die Notwendigkeit einer höheren Schaltfrequenz, die wiederum zu einer höheren Leistungsdichte führt. Betriebsstromversorgungen mit einer Schaltfrequenz von 1 MHz sind gängige Praxis geworden. In der Tat muss die Schaltfrequenz beim Infotainment-Einsatz im Automobil über 1,8 MHz liegen, um das AM-Frequenzband (AM – Amplitudenmodulation) zu vermeiden. Eine Leistungsumwandlung von 12 V auf 1 V bei 1 MHz müsste nach wie vor einen 83-ns-Impuls generieren.

Einschränkungen beim Betrieb mit niedrigem Tastverhältnis

Ein idealer Abwärts-Schaltregler kann jede beliebige Spannung, die unter der Eingangsspannung liegt, bis herunter auf 0 V erzeugen. Allerdings bestehen in der Praxis eine ganze Reihe von Einschränkungen, z.B. die Referenzspannung, interne oder externe Schaltungsverluste sowie, von größter Bedeutung, die Art der Modulators, der zum Erzeugen des Regelsignals verwendet wird. Bei einer bestimmten Eingangsspannung ist die Referenzspannung die offensichtlichste Einschränkung, weil sie es dem Controller unmöglich macht, den gesamten Bereich zwischen 0 und 100 % abzudecken. Die Referenzspannung ergibt sich aus folgender Formel:

(1) Uout = Uref ∙ (1 + R1/R2)

Dem ist zu entnehmen, dass der Ausgang nicht unter Uref geregelt werden kann. Der zweite wesentliche Einschränkungsfaktor für eine maximale Uout ist die Mindest-Einschaltzeit des Controllers. Für eine gegebene Eingangsspannung Uin kann Uout ausgedrückt werden als

(2) Uout = Ton min ∙ Uin ∙ Fs

Für die Schaltfrequenz Fs ergibt sich die Einschaltzeit des oberen MOSFET als

(3) Ton = D ∙ (1/Fs)

Die vom Controller verwendete Regelmethode bestimmt im Wesentlichen die Mindesteinschaltzeit, die dieser regeln kann. Außerdem beeinträchtigen auch einige absichtliche Verzögerungen in der Gate-Drive-Schaltung, z.B. die Austastzeit, die Mindest-Einschaltzeit.

In einem typischen Current-Mode-PWM-Controller wird die Größe des PWM-Impulses bestimmt durch den Ausgang des Fehlerverstärkers und das Stromsignal der Induktivität (Bild 1).

Die Stromschleife erfasst das Stromsignal der Induktivität und vergleicht es mit der UKOMP-Referenz, um die PWM-Impulsbreite zu modulieren. Da die Stromschleife den Spitzen- oder Talstrom des Induktors zwingt, dem Ausgang des Spannungs-Fehlerverstärkers zu folgen, erscheint die Induktivität nicht in der Spannungs-Regelschleife. Das Doppelpol-LC-Filter wird zu einer kapazitiven Einzelpolstruktur für die Spannungsschleife. Eine einfache Kompensation vom Typ 2 reicht aus, um die Spannungsschleife zu stabilisieren.