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Intelligente Kompensation

Platz da!

18. Februar 2019, 15:31 Uhr | Thong Anthony Huynh, Principal Member of the Technical Staff, Applications, Industrial Power bei Maxim Integrated

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Beispiel für eine einfache interne Kompensation

Im Gegensatz zum eben diskutierten Abwärtswandler mit breitbandiger interner Kompensation geht es jetzt um einen Abwärtswandler mit einer einfachen internen Kompensationstechnik. Der Schaltplan, das Evaluation-Board und die Stückliste sind in den Bildern 2 und 4 sowie in Tabelle 1 aufgeführt.

Dieser spezielle Abwärtswandler verwendet eine Spitzenstromregelung mit fester Frequenz. Der Baustein ist intern kompensiert. Die Schaltfrequenz ist über einen externen Widerstand RT von 200 kHz bis 2,2 MHz programmierbar. Ohne RT ist er standardmäßig auf 500 kHz voreingestellt. Die interne Kompensation ist für folgende Werte optimiert: 24 V Eingangsspannung, 3,3 V Ausgangsspannung, 500 kHz Schaltfrequenz und einen Keramikausgangskondensator mit 2 × 47 µF. Der Wandler arbeitet bei diesem Betriebszustand hervorragend, ist aber auch auf diesen Betriebszustand beschränkt. Seine Leistung verschlechtert sich, wenn sich der Betriebszustand ändert, z.B. durch Änderung von V_out, f_sw und/oder C_out.

Die Einschränkungen der einfachen internen Kompensation zeigen sich, wenn man die Reaktionen des Wandlers auf Laststufen-Transienten bei verschiedenen Betriebsbedingungen beobachtet. Bild 5a zeigt ein Testergebnis mit ursprünglicher Konfiguration (2 × 47 µF), während Bild 5b das Ergebnis mit der doppelten Kapazität am Ausgang (4 × 47 µF) zeigt.

Die violette Kurve ist der Ausgangslaststrom, der von 1 auf 2 A und zurück auf 1 A springt. Die grüne Kurve ist die Ausgangsspannung, die als Reaktion auf die Laständerungen eine Abweichung aufweist. Ein idealer Wandler hätte keine Spannungsabweichung bei Laständerungen (d.h. die grüne Linie wäre flach) zur Folge. Ein schnellerer Wandler hat eine geringere Spannungsabweichung. Ein stabiler Wandler weist eine verhältnismäßig ruhige Ausgangsspannungswellenform auf, die sich sanft von der Abweichung erholt.

Die ursprüngliche Schaltung (2 × 47 µF) weist eine Spannungsabweichung von 150 mV Spitze–Spitze (pk-pk) auf. Bei einer Verdoppelung der Ausgangskapazität auf 4 × 47 µF wird eine Halbierung der Spannungsabweichung erwartet. Aufgrund der Einschränkungen einer einfachen internen Kompensation führt eine Erhöhung der Ausgangskapazität dazu, dass sich die Schleifenbandbreite des Wandlers reduziert, was wiederum das Verhalten des Wandlers beeinträchtigt. Deshalb wurden in diesem Fall 134 mV pk-pk gemessen.

Bei einfacher (eingeschränkter) interner Kompensation reduziert die Verdoppelung der Ausgangskapazität somit das transiente Ansprechverhalten des Ausgangs nur leicht auf 89 Prozent pk-pk. Diese 11-prozentige Reduzierung rechtfertigt also nicht die Kosten- und Größenzunahme für die Verdoppelung der Ausgangskapazität. Der Systemingenieur bleibt bei der ursprünglichen Wandlerleistung stehen. Der Versuch, die Ausgangsspannungsabweichung zu verbessern, führt weiter zu exponentiellen Kosten- und Größenzunahmen.