Power Stage Designer Hilfestellung beim Design neuer Stromversorgungen

Stromversorgungs-Designer benötigen leistungsfähige Tools, um ihre Produkte schneller auf den Markt zu bringen.
Stromversorgungs-Designer benötigen leistungsfähige Tools, um ihre Produkte schneller auf den Markt zu bringen.

Welche Bauelemente eignen sich am besten für das neue Schaltnetzteil? Wie lässt sich die Schaltung optimieren? Tools wie der Power Stage Designer erleichtern das Stromversorgungs-Design.

Seit 2011 gibt es das kostenlose, auf Java basierende Tool Power Stage Designer von Texas Instruments. Das Tool will Hilfestellung bei der Wahl der richtigen Bauelemente für neue Schaltnetzteile bieten. Power Stage Designer 4.0 als die neueste Version dieses Tools geht noch einen Schritt weiter, um Stromversorgungs-Designern die Arbeit zu erleichtern.

Das Tool berechnet jetzt nicht nur Ströme und Spannungen für insgesamt 20 verschiedene Topologien, sondern enthält außerdem eine Toolbox. Diese gibt Designern die Möglichkeit, ein neues Stromversorgungs-Design auf ganz einfache Weise zu starten und das Projekt schneller fertigzustellen.

Die Hauptaufgabe des Power Stage Designer besteht nach wie vor darin, dem Anwender beim Berechnen und Visualisieren der allgemeinen Spannungs- und Strominformationen für die unterstützten Topologien in Echtzeit zu helfen. Durch Anklicken der verschiedenen markierten Bauelemente im Schaltplan (Bild 1) öffnet sich ein Fenster, in dem die Spannungs- und Stromverläufe für das betreffende Bauteil erscheinen, ergänzt durch bestimmte zusätzliche Angaben wie etwa minimale und maximale Spannungs- und Stromwerte (Bild 2).

Power Stage Designer 4.0

In der Version 4.0 werden drei weitere Topologien unterstützt:

  • Series Capacitor Buck Converter (Abwärtswandler mit Serienkondensator): Bei dieser Topologie handelt es sich um einen besonderen zweiphasigen Abwärtswandler für Point-of-Load-Anwendungen mit hohem Ausgangsstrom, die zusätzlich nach sehr kleinen Abmessungen verlangen. Diese Art Wandler lässt sich bei akzeptablen Wirkungsgraden mit sehr hohen Schaltfrequenzen betreiben [1].
  • Quasi-Resonant Flyback Converter (Quasiresonanz-Sperrwandler): Von Netzteilen mit geringer Ausgangsleistung wird immer mehr Effizienz erwartet. Indem man den Sperrwandler in einer quasiresonanten Betriebsart schalten lässt, können die Schaltverluste deutlich abgesenkt werden.
  • LLC-Half-Bridge Converter (LLC-Halbbrückenwandler): LLC-Resonanztopologien (Induktivität, Induktivität, Kapazität) werden wegen der Nachfrage nach mehr Leistung und bestmöglicher Effizienz immer beliebter. Mit der Approximation der ersten Harmonischen, die in Power Stage Designer implementiert ist, kann der Anwender die Leistungsstufe eines LLC-Halbbrückenwandlers schnell beurteilen und entwickeln, ohne eine komplexe Simulation durchführen zu müssen. Allerdings ist es notwendig, das Design nachträglich mithilfe einer Simulation und eines Prototyps zu evaluieren und zu verifizieren.

Die Toolbox des Power Stage Designer

Nach dem Einholen der Spannungen und Ströme für die gewählte Topologie kann der Anwender mit dem eigentlichen Stromversorgungs-Design beginnen, ohne dass dafür zusätzliche Tools erforderlich sind. Die neue Toolbox von Power Stage Designer enthält die folgenden Funktionen, mit denen sich das Design des Leistungswandlers schneller fertigstellen lässt:

  • FET Losses Calculator (FET-Verlustrechner): Der FET-Verlustrechner unterstützt den Designer beim Erfassen und Vergleichen der Verluste in den verschiedenen FETs. Berechnungen lassen sich für den Haupt-FET oder den Synchrongleichrichter in einer Schaltnetzteil-Schaltung anstellen. Leitungs-, Schalt- und COSS-Verluste werden aufsummiert, um die Gesamtverluste im Haupt-FET zu berechnen. Für den Synchrongleichrichter sind die Schaltverluste infolge des sanften Schaltens gleich Null, jedoch trägt die zusätzliche Body-Diode dabei zu den Gesamtverlusten bei. Verluste infolge von Sperrverzögerungs-Effekten werden hier zwar nicht berücksichtigt, können aber bei sehr hohen Schaltfrequenzen durchaus ins Gewicht fallen. Angezeigt wird auch eine Abschätzung der Treiberverluste (Bild 3).
  • Stromaufteilung zwischen parallelgeschalteten Kondensatoren: Designer achten häufig nicht auf die Nennströme der Eingangs- und Ausgangskondensatoren in ihren Stromversorgungs-Designs. Werden Kondensatoren unterschiedlicher Bauart – wie  zum Beispiel Keramik- und Elektrolytkondensatoren – parallelgeschaltet, fließen in ihnen unterschiedliche RMS-Ströme. Wird dies übersehen, können einige Kondensatoren erheblichen Belastungen ausgesetzt werden, wodurch sich ihre Lebensdauer gravierend verkürzen kann. Das Tool berechnet die genäherte erste Harmonische des RMS-Stroms für drei parallelgeschaltete Kondensatoren auf der Basis ihrer Impedanzen bei der Schaltfrequenz und hilft dem Designer bei der Wahl von Kondensatoren mit geeignetem Nennstrom.
  • Berechnung der Bulk-Kondensatoren für Netzteile: Netzteile enthalten in der Regel einen Bulk-Kondensator im Anschluss an den Eingangsgleichrichter, um der Leistungsstufe eine quasi-konstante Eingangsspannung zur Verfügung zu stellen. Power Stage Designer gibt Designern ein Werkzeug in die Hand, mit dem sie die erforderliche Bulk-Kapazität ihres Netzteil-Designs schnell berechnen können. Die Empfehlung beruht auf der geringsten akzeptablen Bulk-Spannung, der maximal tolerierbaren Spannungswelligkeit, der Eingangsleistung und der minimalen Netzfrequenz.
  • Tool zur Berechnung von RC-Snubberschaltungen für Gleichrichter: Die Vorgaben bezüglich der elektromagnetischen Störaussendungen einzuhalten, kann eine anspruchsvolle Sache sein. Steht das Leiterplatten-Layout bereits fest, ist das Implementieren eines RC-Snubbernetzwerks parallel zum Gleichrichter eine Option, um die Oszillationen in der Schaltung einzudämmen. Mit dem Tool zur Berechnung von RC-Snubberschaltungen für Gleichrichter steht Designern jetzt eine einfache Option zur Ermittlung der Startwerte für ein Snubber-Netzwerk zur Verfügung, mit dem sich die Störaussendungen minimieren lassen. Der Anwender muss dazu lediglich die Schwingfrequenz mit bzw. ohne Snubber-Kondensator messen. Die von der Kapazität verursachte Frequenzverschiebung lässt Rückschlüsse auf die vorhandenen parasitären Schaltungselemente zu, woraufhin die Startwerte für den Snubber-Widerstand und -Kondensator berechnet werden.
  • Tool zur Berechnung von RC-Snubberschaltungen für Sperrwandler: In Sperrwandlern kann es vorkommen, dass der FET einer erheblichen Belastung ausgesetzt wird. Insbesondere bei einem nicht optimalen Leiterplatten-Layout können die parasitären Effekte des Boards in Verbindung mit der Streuinduktivität des Flyback-Transformators dazu führen, dass bei jedem Abschalten des FET eine enorme Spannungsspitze erzeugt wird, sodass der FET eine höhere Spannungsfestigkeit aufweisen muss. Um eine Zerstörung des FET durch die in der Streuinduktivität verbleibende Energie zu vermeiden, ist es gängige Praxis, die Primärwicklung mithilfe eines RCD-Snubbernetzwerk auf die Eingangsspannung zu klemmen. Power Stage Designer bietet die Möglichkeit zur Berechnung von Startwerten für den Widerstand und die Kapazität des RCD-Snubbernetzwerks.
  • Widerstandsteiler für die Ausgangsspannung: Meist ist es eine einfache Aufgabe, den Widerstandsteiler zum Einstellen der Ausgangsspannung eines Leistungswandlers zu berechnen. Dennoch aber kann es zeitaufwändig sein, die Gleichung aus dem Datenblatt umzustellen und unterschiedliche Werte auszuprobieren. Das in Power Stage Designer verfügbare Werkzeug zum Berechnen des Widerstandsteilers für die Ausgangsspannung ermöglicht es dem Anwender, den Wert eines Feedback-Widerstands festzulegen, woraufhin es den anderen Widerstandswert und die resultierende Ausgangsspannung berechnet. Angezeigt wird außerdem eine Worst-Case-Berechnung unter Zugrundelegung der Bauteil- und Referenzspannungs-Toleranzen. Vernachlässigt werden dagegen die Auswirkungen des Bias-Stroms am Feedback-Pin.
  • Dynamische analoge und digitale Skalierung der Ausgangsspannung: Gelegentlich benötigen Stromversorgungen eine einstellbare Ausgangsspannung. Erreichen lässt sich dies durch Einspeisen eines Stromsignals in den Feedback-Widerstandsteiler oder durch Parallelschalten verschiedener Widerstände mit dem masseseitigen Widerstand des Feedback-Widerstandsteilers. Power Stage Designer hält zwei Tools bereit, die den Widerstandsteiler für die Ausgangsspannung sowie die zusätzlichen Bauteile für die analoge und digitale Spannungs-Skalierung berechnen.
  • Einheitenrechner: Mit dem Einheitenrechner lassen sich häufig benötigte Parameter von Stromversorgungen einfach zwischen US- und metrischen Einheiten umrechnen.
  • Regelkreis-Rechner: Das im Power Stage Designer enthaltene Loop Calculator Tool bietet dem Anwender die Möglichkeit zum Visualisieren des Frequenzgangs verschiedener Leistungswandler-Topologien und ihrer Kompensationsnetzwerke. Die Graphen des Bode-Diagramms werden zwar mit vereinfachten Übertragungsfunktionen berechnet, vermitteln aber dennoch einen guten Eindruck davon, wie der Frequenzgang in der Realität aussieht. Nachdem eine Topologie und ein Kompensationsnetzwerk gewählt sind, muss der Anwender nur noch einige allgemeinere Informationen über die Stromversorgungs-Schaltung und den Power-Management-Controller eingeben. Die Auswirkungen des gewählten Kompensationsnetzwerks sind im Bode-Diagramm des Tools sofort sichtbar. Bei einigen Topologien kann Power Stage Designer auf der Basis allgemeiner Faustregeln Werte für das Kompensationsnetzwerk vorschlagen (Bild 4).