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Auswahl eines PWM-Controllers für eine enge On-Time-Abwärtswandlung

Hybride Regelung für Stromversorgungen

28. Oktober 2015, 08:21 Uhr   |  Von Dhananjay Singh


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Geeignete Modulatoren

Die Spitzenstrom-Regelung (Peak Current Mode – PCM) zählt zu den am häufigsten eingesetzten Architekturen. Sie ist zwar gut zu verstehen und bietet zuverlässige Regeltechniken mit mehreren Vorteilen, sie weist aber beträchtliche Defizite auf, wenn ein Betrieb mit enger Einschaltzeit erforderlich ist. Im Peak Current Mode werden Informationen über den Induktorstrom über dem oberen MOSFET erfasst.

Bild 2. Wellenformen von Buck-Schaltreglern zeigen die Signalerfassung bei Current-Mode-Regelarchitekturen
© Intersil

Bild 2. Wellenformen von Buck-Schaltreglern zeigen die Sig­nal­erfassung bei Current-Mode-Regel- architekturen.

Bild 2 zeigt die typischen Stromwellenformen im oberen (IO-FET) und unteren MOSFET (IU-FET) im Verhältnis zum PWM-Signal. Das Einschaltereignis des oberen MOSFET generiert ein beträchtliches Überschwingen infolge der parasitären Elemente innerhalb und außerhalb der MOSFETs in der Einschaltschleife. Dieses Überschwingen kann fehlerhafte Signale an die Regelschaltung senden und fälschlicherweise das PWM-Signal beenden. Zur Lösung dieses Problems ignorieren PCM-Schaltregler dieses anfängliche Überschwingen durch Verwenden einer Austastlücke, ehe der Induktorstrom erfasst wird. Im Allgemeinen liegt die Austastlücke im Zeitbereich von 150 bis 250 ns. Diese notwendige Verzögerungszeit erlaubt es den PCM-Controllern nicht, eine sehr enge Einschalt-Leistungsumwandlung zu regeln. Selbst eine Umwandlung von 12 auf 1 V wäre bei einer Frequenz von 600 kHz, die eine Mindest-Einschaltzeit von weniger als 140 ns ergibt, schwierig zu regeln.

Talstrom-Regelung

Eine Alternative ist die Talstrom- oder VCM-Regelung (Valley Current Mode), die das Defizit der Verzögerungszeit einer PCM-Regelung bewältigt. Bei der Talstrom-Regelung wird das Induktorstromsignal während der Ausschaltzeit des oberen MOSFET erfasst und auf diese Weise das Überschwingen des oberen MOSFET vermieden. Dadurch wird das Problem der Regelung sehr enger Einschalt-PWM-Impulse gelöst (Bild 2). Jedoch sind auch mit dem Valley Current Mode einige spezifische Beschränkungen verbunden.

Zwei Hauptprobleme bei der Talstrom-Regelung sind subharmonische Schwingungen sowie eine schlechte Netzregelung. Die subharmonische Schwingung stellt ein verbreitetes Problem für jede Art von Current-Mode-Regelung dar. Sie entsteht auch in der Spitzenstrom-Regelung, jedoch bei einer Einschaltdauer von mehr als 50 %. Beim Valley Current Mode gilt das Gegenteil. Die subharmonischen Schwingungen in Current-Mode-Reglern (sowohl Spitzen- als auch Talstrom-Regelung) lassen sich durch eine Flankenkompensation unterbinden. Freilich kann eine feste Flankenkompensation nicht alle Tastverhältnisse und Induktivitäten verarbeiten. Das Problem der subharmonischen Schwingung tritt erneut auf, wenn das Tastverhältnis weit von dem angenommenen Wert entfernt liegt, der bei der Entwicklung der Flankenkompensation verwendet wurde.

Spitzenstromregelung

Eine andere Option ist die emulierte Spitzenstrom-Regelung (Peak Current Mode Control), welche die Einschränkungen durch die Austastzeit vermeidet. Sie überwindet das Überschwingen des oberen MOSFET durch Messung der Talstrom-Information über dem unteren MOSFET. Diese Talstrom-Information dient zur Emulation der ansteigenden Flanke des Induktors, um so die Spitzenstrom-Information zu erhalten.

Wie die Spitzenstrom-Regelung leidet auch der emulierte Spitzenstrom-Betrieb unter subharmonischen Schwingungen und benötigt eine Flankenkompensation. Diese wird aus dem emulierten Spitzenstromsignal abgeleitet. Die emulierte Peak-Current-Betriebsart vereint in ihrer Entwicklung zwar die Vorteile von Spitzenstrom- und Talstrom-Regelmethoden, doch sind ihre Schwächen überwiegend auf fehlende Induktivitäts-Informationen in der Regelschleife zurückzuführen.

Vorteile einer Hybridlösung

Die Talstrom-Regelung mit adaptiver Flankenkompensation ist eine Möglichkeit, die Nachteile der herkömmlichen VCM-Regelung zu umgehen. Eine optimierte adaptive Schaltung zur Flankenkompensation vermag die subharmonische Schwingung für alle Tastverhältnisse zu verhindern. Diese adaptive Kompensation versetzt einen Controller mit dieser Architektur in Verbindung mit der inhärenten Fähigkeit zum Betrieb mit niedrigem Tastverhältnis in die Lage, mit einer sehr hohen Schaltfrequenz zu arbeiten.

Internes Regel-Blockdiagramm des ISL8117
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Bild 3. Internes Regel-Blockdiagramm des ISL8117.

Intersils Buck-Controller ISL8117 ist ein Beispiel für eine Talstrom-Regelung mit einem geringen RDS(on) der Low-Side-MOSFETs, Talstrom-Erfassung und adaptiver Flankenkompensation. Wie in Bild 3 dargestellt, passt sich das Rampensignal zur Verbesserung der Netzregelung an die angelegte Eingangsspannung an. Eine einzigartige Implementierung von VCM und optimierter Flankenkompensation behebt die Schwächen von bisherigen VCM-Reglern. Es wird ein weiter Ein- und Ausgangsspannungs-Bereich unterstützt. Im Wesentlichen handelt es sich um eine Hybridlösung zwischen Spannungs- und Stromregelung, welche die Vorteile beider Modulationsarchitekturen vereint. 

Einschwingverhalten von 0 bis 6 A sowie von 6 zu 0 A eines stabilen 48-V-zu-1,2‑V-Wandlers
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Bild 4. Einschwingverhalten von 0 bis 6 A sowie von 6 zu 0 A eines stabilen 48-V-zu-1,2‑V-Wandlers.

Der Baustein arbeitet bei Spannung zwischen 4,5 und 60 V; die Ausgangsspannung ist zwischen 0,6 und 54 V einstellbar. Er bietet einen einstellbaren Frequenzbereich zwischen 100 und 2000 kHz und kann mit seiner minimalen Einschaltzeit von 40 ns (typisch) bei 1,5 MHz von einem 12-V-Bus am Ausgang 1 V erzeugen. Darüber hinaus ist er in der Lage, eine 1-V-Versorgung aus einer 48-V-Quelle bei geringerer Frequenz zu generieren. Bild 4 zeigt den Transienten aus einer stabilen Umwandlung von 48 V auf 1,2 V. In Systemen, die gegenüber einem bestimmten Schaltfrequenzrauschen empfindlich sind, lässt sich der Buck-Controller mit jeder beliebigen externen Frequenzquelle synchronisieren, um auf diese Weise das abgestrahlte Systemrauschen zu reduzieren und die Minderung der Frequenzrauschens zu übertreffen.

Blockschaltung mit dem Buck-Controller ISL8117
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Bild 5. Blockschaltung mit dem Buck-Controller ISL8117.

Mit diesem synchronen Buck-Schaltregler kann ein DC/DC-Abwärtswandler mit zehn Bauelementen, darunter MOSFETs und passive Komponenten, entwickelt werden. Wandlungswirkungsgrade bis zu 98 % lassen sich mit einer Ausgangsspannungsgenauigkeit von 1,5 % erzielen.

Die geringe Pin-Anzahl des Bausteins (Bild 5) minimiert zudem die Anzahl sich überlappender Leiterbahnen, wodurch die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung zusätzlich verbessert wird. Der ISL8117 ermöglicht es Systementwicklern, eine Zwischen-Wandlerstufe wegzulassen, um einen besseren Wirkungsgrad auf einer kleineren Montagefläche zu erhalten sowie gleichzeitig die Systemkosten zu senken und die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

 

Der Autor

Dhananjay Singh
 
ist Produktmarketing-Manager für industrielle und Infrastruktur-Produkte bei Intersil. Er ist verantwortlich für Forschung, Definition, Entwicklung und Marketing von Stromversorgungsprodukten für den industriellen ­Bereich. Ehe er zu Intersil wechselte, war Singh Design-Ingenieur bei JVC in Japan und bei MIRC Electronics in New Delhi. Er erwarb seinen Master of Technology in Elektrotechnik, Elektronik und Kommunikationstechnik am Indian Institute of Technology (Banaras Hindu University) in Varanasi, Indien.

 

 

ist Produktmarketing-Manager für industrielle und Infrastruktur-Produkte bei Intersil. Er ist verantwortlich für Forschung, Definition, Entwicklung und Marketing von Stromversorgungsprodukten für den industriellen ­Bereich. Ehe er zu Intersil wechselte, war Singh Design-Ingenieur bei JVC in Japan und bei MIRC Electronics in New Delhi. Er erwarb seinen Master of Technology in Elektrotechnik, Elektronik und Kommunikationstechnik am Indian Institute of Technology (Banaras Hindu University) in Varanasi, Indien.

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