Aspekte der Lastverteilung beim Parallelbetrieb mehrerer Stromversorgungen

Lastenausgleich

1. Juli 2006, 11:42 Uhr | Frederik Dostal und Michele Sclocchi

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Externe Lastaufteilung

In den Doppel-Abwärtswandler LM5642 [1] von National Semiconductor sind bereits Funktionen zur Lastverteilung eingebaut. Der Controller ist für Eingangsspannungen von 4,5 V bis 36 V geeignet, während die Ausgangsspannung mit externen Widerständen festgelegt werden kann. Da es sich bei dem Baustein um einen synchronen Controller mit externen Leistungs-FETs handelt, kommt er – mit den richtigen Transistoren kombiniert – auch für Hochstrom-Anwendungen in Frage.

Bei der Implementierung von Konzepten zur Lastverteilung dieser Art benötigen die Steuerschaltungen eine Information über den Ist-Strom in jedem Kanal, damit zum Erzielen einer gleichmäßigen Lastaufteilung auf die einzelnen Kanäle eingewirkt werden kann. Das Strom-Messverfahren (Current-Mode) ist ein geeignetes Regelkonzept für diesen Zweck. Hierbei wird der Strom in der Induktivität mit Hilfe eines eigenen Abtastwiderstands oder an Hand des RDS(on) eines der FETs erfasst. Auf diese Weise steht eine Information über die Stromstärke zur Verfügung, und die Aufteilung des gesamten Laststroms auf mehrere Kanäle gestaltet sich verhältnismäßig einfach.

Der LM5642 ermöglicht die Stromabtastung wahlweise am RDS(on) der externen FETs – um den externen Widerstand einzusparen – oder mit einem externen Abtastwiderstand – wenn eine präzisere Stromabtastung und damit eine exaktere Stromaufteilung gewünscht wird.

Eine wesentlich flexiblere Möglichkeit zur Aufteilung des Laststroms auf mehrere Stromversorgungen ist die Verwendung eines externen Controllers, wie ihn National Semiconductor mit dem LM5080 [2] anbietet. Dieser Baustein kann zusammen mit DC/DC-Wandler-Modulen (Bricks) sowohl für interne als auch für externe Lastaufteilung eingesetzt werden. Der kompakte Schaltkreis im MSOP-8-Gehäuse eignet sich für zahlreiche Stromversorgungen unterschiedlicher Topologien. Pro Stromversorgungsmodul wird ein LM5080 benötigt. Das IC tastet mit Hilfe eines Messwiderstands den Ausgangsstrom des jeweiligen Netzteils ab und stellt damit eine Information zur Verfügung, die mit einem Mittelwertbildungs-Programm für eine aktive Lastaufteilung weiterverarbeitet wird. Die Strommessung kann im Hin- (high-side) oder Rückleiter (low-side) erfolgen. Mit Hilfe der Strom-Informationen können alle LM5080-Bausteine in einem System aus mehreren Netzteilen über den „Sharing-Bus“ (Bild 2) kommunizieren und ermitteln, welchen Strom jedes einzelne Netzteil idealerweise liefern muss. Das Mittelwertbildungs-Verfahren verbessert die Stabilität und erzeugt weniger Ausgangsspannungs-Schwankungen als andere Techniken zur Lastaufteilung. Es gibt mehrere Methoden, um auf die Regelschleife des einzelnen Netzteils einzuwirken und seinen Stromanteil zu verändern, wie z.B. die Beeinflussung des Rückkopplungs-Signals (Ist-Wert), der Strom-Messanschlüsse sowie die Beeinflussung des Referenzsignals.

An Hand der Blockschaltung des LM5080 in Bild 3 lässt sich die Funktionsweise des Bausteins besser verstehen. Die Schaltung besteht aus einem Pufferverstärker zum Ansteuern niederohmiger „Remote-Sense“-Anschlüsse von DC/DC-Wandlern, einem CSP-Mode-Komparator (CSP: Current Sense amplifier Positive input) und einem Stromteiler-Transkonduktanzverstärker. SHR ist der Anschluss für den Sharing-Bus, TRO liefert den Fehlerstrom, CSO ist der Strom-Messausgang und bei CSM und CSP handelt es sich um die Anschlusspins des externen Strom-Messwiderstands. Die genannten Anschlüsse werden für jede der nachfolgend beschriebenen Einstellmethoden anders beschaltet und verdeutlichen dadurch unter anderem die große Flexibilität des LM5080.

6070702_04.jpg
Bild 2. Alle LM5080-Bausteine können in einem System aus mehreren Netzteilen über den „Sharing-Bus“ kommunizieren und ermitteln, welchen Strom jedes einzelne Netzteil idealerweise liefern muss.

  1. Lastenausgleich
  2. Beeinflussung des Rückkopplungs-Signals
  3. Externe Lastaufteilung
  4. Beeinflussung des Referenzsignals