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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 2

Abwärtswandler optimieren

Nun geht es darum, den Wirkungsgrad und die Leistungsverluste durch Klicken auf den Reiter "Loss Estimation and Break Down" zu optimieren (Bild 5). Nachdem der Anwender die MOSFETs gewählt und die Bildschirmtaste "Update" gedrückt hat, gibt das Programm den Wirkungsgrad und die Verluste abhängig vom Laststrom für eine gegebene Eingangsspannung aus, die mit dem VIN-Schieber verändert werden kann. Mit dem Kuchendiagramm kann ein Anwender detailliert analysieren wo welche Verluste auftreten, und dadurch den Einfluss der Designparameter und Komponenten verstehen und einstellen. So kann er bestimmte Verluste senken und den Wirkungsgrad insgesamt optimieren.

Die Verlustleistung bestimmt LTpowerCAD mithilfe vieler Komponentenmodelle und Gleichungen. Die Gesamtverluste enthalten die einzelnen Beiträge von Leistungs-MOSFETs, Spulen, Kondensatoren und IC-Gate-Treibern. Um schnell Ergebnisse zu liefern, nutzt das Tool vereinfachte Verhaltensmodelle anstelle komplizierter physikalischer Modelle. Die AC-Verluste von Spulen sind in in LTpowerCAD noch nicht modelliert, Nutzer haben aber die Option, diese Werte per Hand einzugeben. Daher kann der per Simulation bestimmte Wirkungsgrad um einige Prozentpunkte höher liegen als der reale Wirkungsgrad der Hardware. Dennoch kann dieses Werkzeug sehr schnell bei der Komponentenauswahl und dem Vergleich verschiedener Designmöglichkeiten helfen, besonders bei Spule und Leistungs-MOSFETs.

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Der nächste Schritt besteht darin, die Regelschleife zu entwickeln und zu optimieren sowie eine gute Stabilität bei Laständerungen zu gewährleisten. Dies gilt häufig als eine der herausforderndsten Aufgaben bei der Entwicklung von Stromversorgungen. Dazu wählt man den Reiter "Loop. Comp & Load Trasient" (Bild 6). Das Bode-Diagramm der Schleifenverstärkung lässt sich in Echtzeit justieren, um die gewünschte Bandbreite und die gewünschte Phasenreserve der Regelschleife zu erreichen, indem die RC-Werte der Kompensation eingestellt werden. Die detaillierten Entwicklungskonzepte der Regelschleife sind in der Application Note 149 erläutert. Für einen Schaltwandler wird üblicherweise empfohlen, über 45° oder sogar 60° Phasenreserve bei der Durchtrittsfrequenz (0 dB Verstärkung) und mindestens 8 dB Dämpfung bei der halben Schaltfrequenz fSW einzustellen. Es gibt verschiedene Schaltflächen einschließlich einer für das Ausgangsimpedanzdiagramm der Stromversorgung, um dem Anwender mehr Details über das Schleifendesign an die Hand zu geben. Die Darstellung des Diagramms der Lasttransienten (Bild 6, rechte Hälfte) dient zur anwenderdefinierten Einstellung der Größe der Lastschritte und der Anstiegszeit des Stroms. Die Anwender können Diagramme für ein bestimmtes Design "einfrieren" und dann die Werte oder die Komponentenauswahl abändern und mit einem alternativen Design vergleichen, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Um die vorgegebenen Bedingungen des Einschwingverhaltens auf Lastschritte (Schrittweite und Anstiegsrate des Laststroms) und die Grenzwerte für Über- und Unterschwingen der Ausgangsspannung einzuhalten, kann der Nutzer die Regelschleife justieren, um deren Bandbreite, Stabilität und Einschwingverhalten zu prüfen. Wenn das Einschwingverhalten den Zielvorgaben nicht entspricht, kann der Anwender die Ausgangskondensatoren vergrößern und dann die Regelschleife solange neu justieren, bis das Entwicklungsziel erreicht ist. Da die Diagramme des Einschwingverhaltens in LTpowerCAD aus kleinen Signalmodellen stammen, reagieren sie sehr schnell, sind aber nur eine Annäherung erster Ordnung. Deshalb ist es erforderlich, ausreichend Designmargen (20 bis 30 Prozent) zu berücksichtigen.

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Um die Genauigkeit der Regelschleife zu garantieren, wurde jedes der LTpowerCAD-Entwicklungswerkzeuge vor der Freigabe bei Linear Technology von Ingenieuren auf den Standard-Demoboards des Unternehmens mit Messungen der Regelschleife verifiziert. Im Design eines Anwenders kann das Ergebnis jedoch durch Variationen der parasitären Werte von Komponenten beeinflusst werden, zum Beispiel von nicht akkuraten ESR-Werten des Kondensators. Anwender müssen deshalb ihr endgültiges Design mit einem Prototypentest überprüfen.

Der letzte Schritt des Schaltungsentwurfs ist der Aufruf des Reiters "Power Design Summary", dort erwartet die Anwender eine Zusammenfassung der Eigenschaften (Bild 7) und auch eine kurze Stückliste der Leistungskomponenten sowie eine grobe Bestimmung der Flächenbelegung all dieser Komponenten. Diese Zusammenfassung kann auch ausgedruckt werden.

Es gibt einen weiteren (optionalen) Schritt, um das LTpowerCAD-Design für eine Echtzeitsimulation in ein LTspice-Simulationsdatei zu exportieren. Damit lässt sich der eingeschwungene Zustand sowie das Einschwingverhalten detailliert überprüfen. Dies kann durch Klicken auf den LTspice-Bildschirmtaster unter dem Reiter "Power Stage Design" von LTpowerCAD erfolgen (Bild 3), um so die Schlüsselparameter in eine LTspice-Simulationsschaltung zu exportieren.