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DC/DC-Wandler auslegen

Tool bietet schnelle Hilfe für Systemingenieure

14. März 2016, 9:47 Uhr | Henry Zhang

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Beispieldesign Abwärtswandler

Betrachten wir nun im Detail die Designschritte von LTpowerCAD anhand eines Beispiels: Es sei eine Stromversorgung auf einer Baugruppe mit einem Eingangsspannungsbereich von 10,8 V bis 13,2 V (12 V ±10?%) und einem Ausgang von 1,0 V mit bis zu 20 A Strom zu entwickeln. Diese Aufgabe erledigt üblicherweise ein synchroner Abwärtswandler.

Der erste Schritt besteht darin, ein geeignetes Leistungs-IC oder Modul zu finden. Diese Wahl kann aufgrund bisheriger Erfahrungen oder mit einer Lösung aus der LTpowerCAD-Bibliothek erfolgen. Wie in Bild 2 gezeigt, kann der Anwender auf der Auswahlseite von LTpowerCAD die Spezifikationen der Stromversorgung eingeben, optionale Eigenschaften auswählen und dann die Schaltfläche "Search" drücken. Danach kann er das gewünschte Bauteil aus der Liste auswählen, die ihm das Programm anbietet.

In Bild 2 sind ganz links in der Liste mit IC-Vorschlägen rote Linear-Tech-Logos oder grüne Excel-Symbole zu sehen. Die roten Logos bedeuten, dass bereits ein LTpowerCAD-Entwicklungswerkzeug für dieses Bauteil vorhanden ist, bei den grünen Excel-Symbolen ist ein auf Excel basierendes Tool verfügbar. Sind beide Symbole grau, bedeutet dies, dass es noch kein Entwicklungswerkzeug für diesen Baustein gibt. In unserem Beispiel wählen wir für die Stromversorgung mit 12 V auf 1 V/29 A am Ausgang den Abwärtswandler "LTC3833" aus. Das Entwicklungswerkzeug startet durch Klicken auf das rote Linear-Tech-Logo.

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Der zweite Schritt besteht darin, die Komponenten für die Leistungsstufe zu entwickeln und auszuwählen, beispielsweise Spule, Ein- und Ausgangskondensatoren, Strommesskomponenten sowie Leistungs-MOSFETs. Um die Stromversorgung zu entwickeln, muss ein Anwender üblicherweise mit der Schaltfrequenz f_SW beginnen, dann die Spule wählen und erst danach die Eingangs- und Ausgangskondenstoren. Die Leistungs-MOSFETs kann er im dritten Schritt aussuchen und optimieren.

Ist das Entwicklungswerkzeug geöffnet, wird die Hauptseite mit dem Schaltplan und den Werten der Designparameter neben den Schlüsselkomponenten angezeigt (Bild 3). Auf dieser Seite sind die Designwerte in den Zellen (Textboxen) mit zwei unterschiedlichen Hintergrundfarben dargestellt. Gelb zeigt an, dass der Wert in der Zelle entweder von den Design-Spezifikationen stammt, oder von LTpowerCAD berechnet wurde beziehungsweise empfohlen wird. Ein Anwender kann diese Werte nicht direkt bearbeiten. Blau sind die Werte, die der Anwender ändern kann.

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Für Schlüsselparameter, etwa die Stromwelligkeit in der Spule, enthält das Programm für jedes Bauteil Grenzwerte. Wenn ein vom Anwender vorgegebener Wert diese Grenzen verletzt, warnt das Programm automatisch, indem es entweder eine orange, "weichere" Warnung oder eine rote, "härtere" Warnung ausgibt (Bild 4). Dies soll den Anwender daran erinnern, den Wert zu überprüfen und das Design entsprechend anzupassen. Die Werte der eingebauten Grenzen beziehungsweise Warnungen sind Empfehlungen, welche Applikationsexperten bei Linear Technology für das entsprechende Produkt gesetzt haben. Es ist jedoch anzumerken, dass dies eine analoge Lösung ist: Deshalb kann es manchmal akzeptabel sein, ein Design trotz Warnungen zu verwenden, solange diese der Anwender versteht und sich mit den gewählten Werten sicher fühlt.

Auf der Schaltplanseite von LTpowerCAD können die Anwender alle Power-Komponenten wie Spulen, Kondensatoren und MOSFETs aus der integrierten Bibliothek mit einem Mausklick auswählen (Bild 3). Derzeit sind über 5000 Komponenten von vielen wichtigen Anbietern enthalten, wobei regelmäßig neue Komponenten hinzukommen. Die Anwender können aber auch die Schlüsselparameter neuer Komponenten eingeben und damit ihre eigene Komponentenbibliothek auf lokalen PCs aufbauen.

In unserem Abwärtswandler-Beispiel ist die Schaltfrequenz auf 500 kHz eingestellt. Deshalb ist ein Spulenwert von 0,228 µH berechnet (Bild 4), um eine Welligkeit des Spulenstroms I_L(Ripple) von 40 Prozent (Spitze zu Spitze) um den Mittelwert (DC) herum zu erreichen. Aus der Bibliothek wurde eine Spule mit 0,22 µH mit 1,1 m? ausgewählt. Unser Beispiel nutzt den Kupferwiderstand der Spule DCR1 zur Strommessung. Die Werte des stromfühlenden Netzwerks sind auf ein sauberes Messsignal und die Strombegrenzung hin zu überprüfen. Das Programm warnt automatisch, wenn das Messsignal zu schwach ist, was potenziell Probleme im Hinblick auf das Signal/Rausch-Verhältnis ergibt oder wenn der Schwellwert der Strombegrenzung niedriger als der Zielwert ist.

Die Eingangskondensatoren sollten nur minimale Leitungsverluste beim mittleren Gleichstrom (Effektivwert, RMS) haben, während die Ausgangskondensatoren die Spannungswelligkeit sowie das Über- und Unterschwingen bei Spannungsspitzen minimieren. Ihre Werte werden später bei der Dimensionierung der Regelschleife und der Optimierung im Hinblick auf Lasttransienten endgültig festgelegt. Als Nächstes kommen die Leistungs-MOSFETs an die Reihe.