Die Peripherie macht's
Die rein digitale Regelschleife
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Die rein digitale Regelschleife
Die Lösung des Problems, ein digitales Netzteil im Stromregelmodus zu betreiben, ist der Einsatz eines DSCs mit speziellen Features für die Leistungswandlung. Ein DSC mit integrierter PWM-Peripherie zum Beispiel arbeitet auf die gleiche Art und Weise wie ein PWMGenerator im Stromregelmodus (Bild 3).
Dort sind ein Mixed-Signal-Spannungskomparator und ein D/A-Wandler (DAC) zu einer typischen, timerbasierten PWM-Peripherie zusammengefasst. Der Spannungskomparator liefert ein Shutdown-Signal an das PWMModul, das über ein Gate mit dem Ausgang des Duty-Cycle-Zählers verbunden ist. Sobald der Duty-Cycle-Zähler Null erreicht, zieht der Komparatorausgang den Ausgang des PWM-Ausgangs auf Null.
Der Datenwandler erhält sein Eingangssignal vom DSC und erzeugt ein Referenzsignal für den Komparator. Im praktischen Einsatz in einem Schaltnetzteil initiiert der Zähler des PWM-Moduls den PWM-Puls, und der DAC generiert eine Spannung am invertierenden Komparatoreingang, die den erforderlichen Drosselstrom repräsentiert. Zusätzlich fließt die Stromrückkopplung in den nicht invertierenden Komparatoreingang. Während der Strom sich in der Drossel aufbaut, zählt der Duty-Cycle-Zähler weiter hoch. Erreicht der Drosselstrom als erster den erforderlichen Wert, so beendet der Komparator den Puls, und die Drossel entlädt sich in den Ausgangskondensator. Erreicht dagegen der PWM-Zähler als erster den Wert, so beendet er den PWM-Puls.
Diese Schaltung vereint das Beste aus beiden Welten:
- eine schnelle Stromrückkopplung ohne High-MIPS-Prozessor und
- die Fähigkeit, ein maximales Tastverhältnis für die Strombegrenzung zu setzen.
In dieser Schaltung lassen sich PWM-Frequenz und maximales Tastverhältnisnutzen, um den PWMZähler zu konfigurieren. Der DAC-Referenzausgang wird dann an den zu erwartenden maximalen Bereich des Stromrückkopplungssignals angepasst, um die höchste Auflösung zur Regelung des PWM-Tastverhältnisses zu erreichen.
Für die PID-Software muss der Entwickler außerdem Code schreiben. Darin verarbeitet der PID-Regler die Rückkopplungsspannung vom ADC, vergleicht sie mit der internen digitalen Referenz, filtert sie aus Stabilitätsgründen und gibt die gewünschte Stromeinstellung an den DAC weiter, der wiederum die Komparatorreferenz erzeugt (Bild 4). Die PID-Software beseitigt auch die Instabilitäten im Stromregelmodus bei Tastverhältnissen >50%, indem sie den DAC-Wert dynamisch anpasst. Dadurch fällt die digitale Implementierung der »Slope Compensation « wesentlich einfacher aus als das entsprechende analoge Verfahren.
Das Ergebnis ist ein einfaches Schaltnetzteil im Stromregelmodus mit preiswerten Lower-MIPS-DSCs, um eine mit einem 1- oder 2-BIPSProzessor vergleichbare Leistung zu erreichen. Angenommen, der Prozessor hat lediglich den gewünschten Stromwert vor dem Start des nächsten Pulses zu errechnen, so sollte er genügend freie Zeit zur Verfügung haben, um weitere Aufgaben auszuführen, wie Kommunikation, Systemüberwachung, deterministische Funktionen, Power-Sequencing sowie Fehlererkennung und -beseitigung. Ein Beispiel für so einen Baustein ist der »dsPIC30F202x« von Microchip, der für Schaltnetzteile und digitale Leistungswandler optimiert ist. Dieser dsPIC verfügt über hochauflösende digitale PWM-Generatoren, einen A/D-Wandler mit 2 MSample/s, analoge Hochgeschwindigkeitskomparatoren mit 10-Bit-Referenz-DACs und einen DSP-fähigen Controller mit 30 MIPS.
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