Das Gesamtsystem optimieren
Leistungs-Mittelwertbildung für mehr Effizienz
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
DCM-Wandler als Schaltungskomponenten
Wurde die Stromversorgung nicht dafür ausgelegt, dass sie auch mit einem Kondensator mit hoher Kapazität am Ausgang stabil bleibt, kann die Auslegung der externen Schaltung ziemlich komplex werden. Es gibt DC/DC-Wandler wie die DCMs, die speziell so konzipiert wurden, dass sie auch Kondensatoren mit hoher Kapazität am Ausgang vertragen.
Die DCMs wurden so entwickelt, dass sie innerhalb ihrer maximalen Spannungs- und Stromwerte arbeiten, auch wenn sie Kapazitäten von 10 mF treiben. Noch höhere Kapazitätswerte sind möglich, wenn diese zusätzlichen Kapazitäten während des Hochfahrens zugeschaltet werden. Ein DCM hat eine sichere Strombegrenzung, die bei der Nenn-Ausgangsspannung des Wandlers benutzt werden kann.
Dies ist möglich, da das DCM in der Lage ist, für einen kurzen Moment eine höhere als die nominelle Leistung zu liefern. Beim Start lädt das DCM den Kondensator während es innerhalb des sicheren Betriebsbereichs bleibt. Die Regelschleife des DCMs ist so ausgelegt, dass das Modul nach dem Laden des Kondensators stabil arbeitet.
Wurde die Applikation entsprechend der benötigten mittleren Leistung ausgelegt, überlastet der erste von den nachgeschalteten Reglern kommende Lastimpuls die Stromversorgung. Der Laststrom wird von der Quelle mit dem höchsten Potenzial geliefert. Bedingt durch den ESR (Equivalent Series Resistance, Äquivalenter Serienwiderstand) des Kondensators hat möglicherweise der Wandler das höchste Potenzial und liefert den ersten Lastimpuls, bis die Ausgangsspannung wegen Überlastung einbricht.
Die DCMs können kurze Stromspitzen liefern, bis die interne Strombegrenzung greift. Wenn die Ausgangsspannung des DCMs sinkt, wird der Strom dann vom Kondensator geliefert. Der Kondensator kann so ausgelegt werden, dass er wesentlich mehr Strom als der DC/DC-Wandler liefert. Nach dem Stromimpuls muss der DC/DC-Wandler den Kondensator wieder auf die ursprüngliche Spannung aufladen, sodass er bereit ist für den nächsten Lastimpuls.
Leistungs-Mittelwertkonfigurationen sind sehr effektiv, wenn der Point-of-Load-Wandler oder die Last einen weiten Eingangsspannungsbereich aufweisen. Das ist meist der Fall, wenn die Last selbst ein geregeltes System darstellt. Mit Gleichung 1 kann die für die Applikation nötige Kapazität berechnet werden:
mit C – Kapazität in Farad, P – vom Kondensator bereitgestellte Leistung in Watt, Δt – Impulslänge in Sekunden, U1 – Spannung am Kondensator zu Beginn des Lastimpulses und U2 – Spannung am Kondensator am Ende des Lastimpulses.
Wenn die Last oder die PoL-Wandler Strom benötigen, wird ein Großteil davon vom Kondensator geliefert. Der DC/DC-Wandler geht in die Strombegrenzung, da er die Last sowie den Kondensator versorgt. Die Spannung am Kondensator beginnt zu sinken. Daher muss der Kondensator so dimensioniert werden, dass dessen Spannung am Ende des Lastimpulses noch innerhalb des Eingangsspannungsbereichs des PoL-Wandlers liegt.
Um die Kapazität möglichst gering zu halten, kann der Entwickler den Kondensator auf die maximal zulässige Eingangsspannung des PoL-Wandlers aufladen und den Spannungsabfall durch die von der Last innerhalb der Zeitspanne aufgenommene Leistung so dimensionieren, dass die minimale Eingangsspannung des Wandlers erreicht wird.
Bild 2 zeigt eine Oszilloskop-Messung sowie das Blockschaltbild einer Stromversorgung in Leistungs-Mittelwertkonfiguration. In diesem Beispiel hat der DC/DC-Wandler die Ausgangsspannung 50 V und kann eine Dauerleistung von 320 W bereitstellen. Die nachgeschalteten PoL-Wandler liefern an die Last insgesamt 20 A bei 48 V DC oder 960 W.
Die Lastfrequenz beträgt 1 Hz und das Tastverhältnis beträgt 7 %, das heißt die Last wird für eine Dauer von 70 ms eingeschaltet. Sobald der PoL-Wandler die Last versorgt, wird die Energie vom 100-mF-Kondensator und vom DCM geliefert, das in die Strombegrenzung geht. Der Hauptanteil der Leistung kommt also vom Kondensator. Nach dem Lastimpuls lädt das DCM den Kondensator wieder auf die ursprüngliche Spannung.
Mit einer Stromversorgung, die auf die benötigte mittlere Leistung optimiert ist, lassen sich Platz und Gewicht sehr effektiv einsparen, wenn die Last nur für kurze, periodisch wiederkehrende Zyklen eingeschaltet ist. Die hierfür notwendigen Zusatzschaltungen lassen sich reduzieren, wenn das DC/DC-Wandlermodul dafür ausgelegt wurde, auch im Bereich der maximalen Strom- und Leistungsbegrenzung sicher zu arbeiten.
Der Autor
Dave Berry
ist Applikationsingenieur bei Vicor. Nach dem Studium der Elektrotechnik am Union College in Schenectady, New York, entwickelte er magnetische Bauelemente, wobei er sich auf Transformatoren für die Impedanzanpassung spezialisiert hat. Im Anschluss wechselte er als Applikationsingenieur zu Vicor. Seit mehr als 20 Jahren arbeitet Berry nun im Bereich Power-Komponenten-Design.
- Leistungs-Mittelwertbildung für mehr Effizienz
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