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Ausgangsspannung ohne Verluste filtern

23. Juni 2016, 10:47 Uhr | Nicole Wörner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Stabilitätskriterien eines Schaltreglers

Filterspule, Ferrit und die Filterkondensatoren führen jedoch zu einer unerwünschten Phasenverschiebung, wodurch die Stabilität der Regelschleife gestört wird. Diese unerwünschte Phasenverschiebung führt zur Verkleinerung der Amplituden- und Phasenreserve. Im Extremfall führt es zu Instabilität, und die Ausgangsspannung neigt zum Schwingen. Um die Stabilität zu gewährleisten, wird in der Praxis eine Amplitudenreserve von >12 dB und eine Phasenreserve von >45° verlangt, damit der Regelkreis bei Erregung nicht zum Schwingen neigt. Als dynamisch stabil gilt der Regelkreis, wenn die Schleifenverstärkung auf 0 dB fällt, bevor die zugehörige Phasenverschiebung den Wert von -180° erreicht hat. Dabei soll der Amplitudengang der Schleifenverstärkung den Schnitt der X-Achse, also bei 0 dB mit 20 dB/Dekade durchlaufen. Bild 3 zeigt ein Bode-Plot eines stabil-geregelten Buck-Konverters. Dieses Beispiel zeigt eine Amplitudenreserve von 32 dB und eine Phasenreserve von 56°.Sind die Stabilitätskriterien eines Schaltreglers mit einem Ausgangsfilter nicht erfüllt, ist eine Kompensation der Regelschleife nötig, um eine stabile Ausgangsspannung zu gewährleisten. Die Stabilität der Regelstrecke übt somit Einfluss auf die Stabilität der Ausgangsspannung aus. Bei einer Spannungsschwankung am Eingang des Schaltreglers soll die Ausgangsspannung stabil bleiben. Analog hierzu soll bei einem schlagartigen Abfall oder Anstieg des Ausgangsstroms die Ausgangsspannung schnell nachgeregelt werden.

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Hierbei ist die Rede vom Transient Response. Bild 4 zeigt den Transient Response eines Stabil-geregelten Schaltreglers (gelbe Kurve) bei einer Ausgangsspannung von 5 V und einem schlagartigen Lastwechsel von 0 A auf 1 A (grüne Kurve).

Eine schlagartige Laständerung soll zu einer schnellen Sprungantwort des Regelkreises führen und die Ausgangsspannung zeitig auf seinen Soll-Wert regeln. Dabei soll die Sprungantwort keine zu große Amplitude in der Ausgangsspannung bewirken, weil sonst nachfolgende Baugruppen bei einer Spannungsüberhöhung zerstört werden könnten. Idealerweise soll die Ausgangsspannung nach der Sprungantwort zeitig auf den Soll-Wert geregelt werden, ohne dabei ein Überschwingen zu erzeugen oder gar zu klingeln. Ein Klingeln während der Ausgleichsphase wäre somit auf eine Instabilität des Schaltreglers zurückzuführen. Ist eine schnelle Sprungantwort und eine zeitige Ausgleichsphase gegeben, kann der Schaltregler als stabil-geregelt gelten.

Fazit

Wird der Ausgangsfilter in die Regelstrecke implementiert, entsteht eine Regelstrecke 2. Ordnung. Der Schaltregler muss daher mit einem höheren Integrationsanteil betrieben werden, wodurch die Regelstrecke gedämpft und somit langsamer wird. Eine umständliche Kompensation der Regelstrecke wird nun erforderlich. Von dem Verfahren der Implementierung des Ausgangsfilters in die Regelstrecke wird daher abgeraten. Ein Abgriff der Ausgangsspannung des Schaltreglers sollte unmittelbar am Ausgangskondensator des Schaltreglers erfolgen, somit vor einem Ausgangsfilter. Um DC-Verluste des Ausgangsfilters zu reduzieren, empfehlen sich Filterspulen und Ferrite mit möglichstem kleinem RDC.