Stromversorgung / Netzgeräte
Digital wird optimal
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Optimierte Regelschleifen
Wie digitale Stromversorgungen ihre Vorteile gegenüber den analogen Varianten ausbauen.
Controller in Stromversorgungen haben primär die Aufgabe, eine fest eingestellte Ausgangsspannung mit einer hohen Genauigkeit bei sich verändernden Lastbedingungen sowie Eingangsspannungen einzustellen. Dieses Verhalten wird von der Regelschleife bestimmt. Bei analogen Controllern besteht die Regelschleife hauptsächlich aus einem Verstärker, einem PWM-Generator, der Leistungsstufe sowie dem Rückkoppelpfad. Bei digitalen Stromversorgungen hingegen wird die Ausgangsspannung digitalisiert, dann durch digitale Filter weiter verarbeitet, um dann die richtigen PWM-Signale zum Ansteuern der Schalttransistoren zur Verfügung zu stellen. Die Digitalisierung und Verarbeitung der Daten kostet jedoch Zeit: War es bei langsam geregelten Stromversorgungen möglich, frühe digitale Controller zu verwenden, wird es spätestens bei sehr hohen Schaltfrequenzen nicht mehr ausreichen, z.B. bei Stromversorgungen mit Siliziumkarbid-Leistungstransistoren, welche mit viel höheren Schaltfrequenzen betrieben werden.
Der PWM-Controller ADP1055 arbeitet mit einer Schaltfrequenz von bis zu 1 MHz. Hohe Schaltfrequenzen ermöglichen Regelschleifen mit hohen Bandbreiten. Bei diesen ist der 0-dB-Durchgang der Regelkreisverstärkung bei hohen Frequenzen, üblicherweise im Bereich von einem Fünftel bis einem Zehntel der Schaltfrequenz. Um bei diesen hohen Frequenzen eine digitale Regelung erfolgreich einsetzen zu können, sind die folgenden Funktionen hilfreich:
Der A/D-Umsetzer (ADC) für das Digitalisieren der Ausgangsspannung sollte ein 6-bit-Flash-ADC sein. Flash-ADCs sind sehr schnell und können aufgrund von vielen parallelen Komparatoren in kürzester Zeit den richtigen digitalen Wert liefern. Dieser Flash-ADC wird so eingesetzt, dass er in einem Bereich der Ausgangsspannung von ±50 mV arbeitet. Der restliche Bereich der Ausgangsspannung wird mit einem langsameren, jedoch sehr genauen A/D-Umsetzer erkannt. Diese Kombination ermöglicht eine schnelle Regelschleife mit einer hohen Regelgenauigkeit der Ausgangsspannung.
Für eine genaue Regelung bei hohen Schaltfrequenzen muss es auch möglich sein, das Tastverhältnis (On-Zeit, Off-Zeit) mit hoher Genauigkeit einzustellen. Digitale Controller sind auf diskrete Einstellungen angewiesen. Für eine hohe Einstellgenauigkeit liegt das digitale Raster der PWM-Kanäle bei 5 ns. Für eine sehr genaue Einstellung der Totzeiten bei Halb- oder Vollbrückenanwendungen liegt das Raster sogar bei 625 ps.
Bild 2 zeigt, wie über eine grafische Benutzeroberfläche das Verhalten der PWM-Kanäle angepasst werden kann.
Es gibt ein Verfahren, um die Regelschleifengeschwindigkeit weiter zu erhöhen. So ist es möglich, den Zustand der Ausgangsspannung nicht nur einmal, sondern zweimal pro Zyklus zu messen und in die Regelung einzubringen. Im Falle einer plötzlichen Eingangsspannungs- oder Laststromveränderung kann eine On-Zeit außerplanmäßig, also in der Mitte eines Taktes‚ terminiert werden.
Bild 3 zeigt ein Bode-Diagramm, in welchem die Verstärkung (blau) sowie der Phasenversatz (rot) einer Regelschleife dargestellt sind. Der 0-dB-Durchgang liegt in diesem Beispiel bei 20 kHz. Es wird sowohl der Phasenversatz mit einfacher Aktualisierung pro Taktzyklus sowie der Phasenversatz mit zweifachem Messen der Ausgangsspannung je Zyklus gezeigt. Es ist erkennbar, dass eine größere Phasenreserve und dadurch eine höhere Regelstabilität erreicht werden kann. Im Folgeschritt kann die Regelschleife dadurch auch auf eine schnellere Regelung eingestellt werden.
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- Optimierte Regelschleifen
- Anpassen der Regelschleifenverstärkung
- Optimierte Regelschleife und nun?
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