Gleichspannungswandler
Neue Reglerkonzepte für Stromversorgungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Praktischer Betrieb eines interessanten Wandlerkonzepts
Die folgenden drei Bilder 3, 4 und 5 zeigen Kurven, die an einer Schaltungskonfiguration gemessen wurden, bei der zwei TPS63020-Buck-Boost Wandler von derselben Spannungsquelle versorgt werden. Die Ausgangsimpedanz der Spannungsquelle wurde auf 1 Ω eingestellt, um das Verhalten einer Batterie zu simulieren. Beide Buck-Boost-Wandler regeln 3,3 V an ihrem Ausgang.
Die Konfiguration entspricht der, die auch im Evaluation Module für diese Wandler verwendet wird. Der erste Wandler (im Bild als DCDC1 bezeichnet) hat eine konstante Last von 10 Ω, beim zweiten (DCDC2) wird die Last dynamisch zwischen 12 Ω und 6 Ω geschaltet.
Die Versorgungsspannung der beiden Buck-Boost-Wandler ist gemessen und in der Kurve Uin dargestellt. Die Kurve Uaus 1 zeigt die Ausgangsspannung des DCDC1, die Kurve Uaus 2 zeigt die Ausgangsspannung des DCDC2 und die Kurve Iaus 2 den entsprechenden Ausgangsstrom.
Bild 3 zeigt den Betrieb bei einer Leerlaufspannung der Quelle von 3,8 V. Beide Buck-Boost-Wandler sind ausreichend mit Energie versorgt und können ihre Ausgangsspannungen regeln. Während der höheren Last an DCDC2 steigt der Strom aus der Spannungsquelle an. Dies verursacht einen höheren Spannungsabfall am Innenwiderstand der Spannungsquelle. Damit sinkt die Versorgungsspannung für beide Buck-Boost-Wandler.
Die verfügbare Energie reicht aber aus, um beide Lasten zu versorgen. Beide Ausgangsspannungen bleiben bei 3,3V geregelt.
Wird die Leerlaufspannung der Spannungsquelle auf 3,6 V reduziert, ändern sich die Kurven, wie in Bild 4 gezeigt. Es verringert sich auch die verfügbare Leistung für die Buck- Boost-Wandler. Der Spannungseinbruch der Versorgungsspannung wird größer. Beide Wandler reduzieren aufgrund der niedrigeren Versorgungsspannung ihre Eingangsstrombegrenzung. Bei der konstanten Last am Ausgang von DCDC1 hat das keinen Einfluss. Die Ausgangsspannung ist immer noch genau geregelt.
Für den höheren Strom am Ausgang des DCDC2 reicht die verfügbare Ausgangsleistung der Quelle nicht mehr. Während des Spannungseinbruchs kurz nach dem Umschalten kann die Last noch versorgt werden, bis ein niedriger Spannungspegel erreicht wurde, bei dem die Begrenzung eingreift. Die Eingangsleistung von DCDC2 wird begrenzt und reicht nicht mehr, um den Ausgang ausreichend zu versorgen. Die Spannung bricht ein und stabilisiert sich auf einem niedrigeren Niveau. Die Versorgungsspannung des Systems bleibt aber erhalten und keiner der Wandler muss wegen Unterspannung am Eingang abschalten. Sobald die höhere Last an DCDC2 wieder weggenommen wird, stabilisiert sich das System wieder vollständig.
Um die Ausgangsspannung des DCDC2 bei dieser Lastschwankung weniger stark einbrechen zu lassen, kann dessen Ausgangskapazität vergrößert werden, um die während der höheren Last fehlende Energie zu speichern und bei Bedarf in die Last einspeisen. Dieses Verhalten ist in Bild 5 gezeigt. Ähnliche Probleme können auftreten, wenn DC/DC-Wandler eingeschaltet werden.
Die Bilder 6 und 7 zeigen das Verhalten von unterschiedlichen Reglerkonzepten beim Starten in eine Last mit sehr hoher Kapazität. Auch hier sind beide DC/DC-Wandler so eingestellt, dass sie nach dem Starten 3,3 V am Ausgang regeln. Die Spannungsquelle hat auch hier einen simulierten Innenwiderstand.
In beiden Bildern zeigt die blaue Kurve das Einschaltsignal (Enable), die grüne Kurve die Versorgungsspannung des Wandlers, die braune Kurve den Versorgungsstrom des Wandlers und die magentafarbene Kurve die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers. Die hohe Kapazität am Ausgang eines DC/DC-Wandlers wirkt beim Einschalten wie ein Kurzschluss.
Bild 6 zeigt das Startverhalten eines Boost-Wandlers TPS61200, der auch bei sehr niedrigen Versorgungsspannungen arbeitet: Gleich nach dem Einschalten steigt der Eingangsstrom des Wandlers stark an. Der Wandler versucht damit, den Ausgangskondensator möglichst schnell aufzuladen.
Da der hohe Eingangsstrom auch einen hohen Spannungsabfall am Innenwiderstand der Spannungsquelle verursacht, sinken die Eingangsspannung des Wandlers und die verfügbare Leistung entsprechend. Diese Leistung reicht nun nicht mehr aus, um den Ausgangskondensator weiter aufzuladen. Das System bleibt in diesem Zustand hängen.
Wird der Eingangsstrom dagegen reduziert, ist unter gleichen Lastbedingungen ein Starten möglich. Bild 7 zeigt die entsprechenden Kurven für den TPS63020. Das Sinken der Versorgungsspannung bewirkt beim TPS63020, dass die Eingangsstrombegrenzung verringert wird, und sorgt damit dafür, dass auch die Versorgungsspannung nicht so stark fällt.
Damit bleibt in diesem Beispiel genug Energie, um den Kondensator am Ausgang des Buck-Boost-Wandlers auf 3,3 V aufzuladen und die niedrige Last mit zu versorgen, die während des Einschaltens schon aktiv war.
Der Autor:
Jürgen Neuhäusler ist Senior Systems Engineer für "Advanced Low Power Solutions" bei Texas Instruments.
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