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Autotuning-Technik für digital geregelte DC/DC-Wandler

25. September 2008, 10:59 Uhr | Alberto Bianco und Mauro Olmo

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Autotuning-Technik für digital geregelte DC/DC-Wandler

Darin steht a für die Amplitude des Eingangssignals. Zu bemerken ist, dass die Beschreibungsfunktion eines nichtlinearen Blocks – anders als bei einem linearen Block – nicht allein von der Frequenz, sondern auch von der Amplitude abhängt.

Die Beschreibungsfunktion des Relais hat zwei wichtige Eigenschaften, die sich einfach aus dem Verhalten des Relais herleiten lassen:

Der Ausgang ist bei jeder Frequenz immer in Phase mit dem Eingang.
Die Ausgangsamplitude ist unabhängig von der Eingangsamplitude.

Die „Relay Feedback“-Methode nutzt beide Effekte, um die Daten einer Übertragungsfunktion zu messen. Bekanntermaßen schwingt ein System, das eine Regelschleife enthält, mit kontrollierter Amplitude, wenn es eine Frequenz gibt, bei der die Schleifenverstärkung einen Phasenwinkel von 180° und die Amplitude den Wert 1 hat. Wird ein Relais mit der Ausgangsamplitude π/4 in eine lineare Schleife mit der Verstärkung G eingefügt, oszilliert das resultierende System mit der Frequenz, bei der G eine Phasenverzögerung von 180° hat, mit einer Oszillations-Amplitude von |G| am Relaiseingang.

Da unter diesen Bedingungen die Gesamtverstärkung der Schleife jetzt

ist und die Amplitude a der Oszillation gleich |G| ist, ergibt sich:

Die spannungsgeführte digitale Regelschleife der DC³-Controller (Bild 2) bildet den Ausgangspunkt für die Implementierung der „Relay Feedback“-Autotuning-Methode. Die Schleife besteht aus einem ADU zum Abtasten der Ausgangsspannung, einem digitalen PID-Filter zum Kompensieren der Schleife und einem digitalen PWM-Generator (DPWM).

Mit der „Relay Feedback“-Methode kann auch die Resonanzfrequenz des LC-Glieds ermittelt werden, wenn eine Schaltung gemäß Bild 3 angewendet wird. Bekanntermaßen wechselt die Phasenverzögerung des LC-Filters im Bereich der Resonanzfrequenz abrupt von 0° auf 180°, und genau auf der Resonanzfrequenz kommt es zu einer Phasennacheilung von exakt 90°. Wird in die Schleife ein Integrierer eingefügt, der unabhängig von der Frequenz immer eine Phasenverzögerung von 90° bewirkt, schwingt das resultierende System genau mit der LC-Resonanzfrequenz. Diese Frequenz lässt sich durch Messen der Oszillation leicht ermitteln.

Autotuning im praktischen Einsatz

Anhand einer Fallstudie wurde die Leistungsfähigkeit des Autotunings im Einsatz untersucht und zwar für Gleichspannungswandler-Module. Dazu wurde ein Modul mit drei eingebauten 330-μF-Tantalkondensatoren hergestellt. Der Spannungsrückgang bei einer Laststromspitze von 5 A auf 15 A beträgt ca. 100 mV (Bild 6). Das Modul wurde auf der Zielplatine montiert, auf der sich Keramik-Kondensatoren mit einer Gesmtkapazität von 700 μF befinden. Ohne Anpassung der Kompensation geriet die Schleife nahe an die Instabilität, wie die unzureichend gedämpften Oszillationen in Bild 7 zeigen. Ein Autotuning-Durchlauf bewirkte eine erhebliche Verbesserung der System-Stabilität und des Einschwingverhaltens, wobei die zusätzlichen Kondensatoren vollständig zum Tragen kamen (Bild 8): Der Spannungseinbruch reduziert sich um über 25 %.