Schaltungspraxis - Schaltregler
Wie lassen sich Spannungs- und Stromregelung kombinieren?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Zwei Messignale zusammenfassen
Die erste Stufe (IC1A) der in Bild 2 dargestellten Schaltung besteht aus dem erwähnten Differenzverstärker. Beide Eingänge, also sowohl der invertierende als auch der nicht-invertierende Eingang, müssen mit Spannungsteilern (R2, R7 und R3, R9) versehen werden, damit der maximal zulässige Eingangsspannungsbereich des Verstärkers nicht verlassen wird. Mit Widerstandswerten von 90,9 kΩ und 10,0 kΩ für die beiden Teiler beträgt die Verstärkung des Differenzverstärkers 0,099. Zusätzliche 100-pF-Kondensatoren (C3, C4) ergeben ein Tiefpassfilter mit einer Eckfrequenz von 160 kHz zum Glätten des gepulsten Diodenstroms bei einer Schaltfrequenz von 1 MHz. Bei der nächsten Stufe (IC1B) handelt es sich um einen nicht-invertierenden Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 9,47. Bei einem Strom von durchschnittlich 135 mA durch den Messwiderstand liegt am Ausgang dieser Schaltung eine Spannung von 1,26 V, die gleich der Referenzspannung des LM5001 ist. Wird dieses Signal an den Eingang für die Rückkopplung des Controller-ICs gelegt, so arbeitet er als Stromquelle. Dabei wird das Tastverhältnis so variiert, dass der Mittelwert des gepulsten Diodenstroms (D1) stets gleich 135 mA ist. Die Spannung wird dagegen nicht geregelt und kann theoretisch unendlich hoch – zumindest sehr hoch – werden. Da hierdurch der Ausgangskondensator oder der Verstärker Schaden nehmen könnten, wird eine zusätzliche Spannungsregelung benötigt.
Die Spannungsmessung erfolgt einfach mit einem Widerstandsteiler, wie er bei den meisten Wandlern implementiert ist. Im diesem Fall (Bild 2) ist die Ausgangsspannung des Teilers (R4, R11) bei der maximalen Ausgangsspannung von 20 V gleich 1,26 V.
Nun gilt es die Strom- und die Spannungsinformation zu einem Signal zu kombinieren, das dann dem Controller-IC zugeführt werden kann. Jedes der beiden Signale wird dazu einem als Puffer konfigurierten Operationsverstärker (IC1C, IC1D) zugeführt. Der einzige Unterschied zu einer herkömmlichen Pufferschaltung besteht darin, dass eine Diode mit dem Ausgang in Reihe geschaltet ist, damit der Verstärker wohl als Stromquelle, aber nicht als Stromsenke fungieren kann. Der invertierende Eingang wird mit der Katode der Diode verbunden, um die Durchlassspannung der Diode zu kompensieren. Da die Diode das Zurückfließen eines Stroms in den Verstärkerausgang unterbindet, lassen sich mehrere dieser Schaltungen parallelschalten. Der gemeinsame Ausgang wird an den für die Rückkopplung versehenen Eingang des PWM-Controllers angeschlossen. Zusätzlich wird wie gewohnt ein Kompensationsnetzwerk zwischen den Anschlüssen FB und COMP geschaltet.
Höheres Messsignal dominiert die Ist-Größe
Die Rückkopplungsspannung wird stets vom stärksten Signal dominiert. Wenn der Strom, der durchschnittlich in den Ausgangskondensator fließt, unter der Obergrenze von 135 mA liegt, ist die verstärkte Spannung kleiner als 1,26 V. Unter der Annahme, dass der Diodenstrom immer unter 135 mA liegt, wird das Tastverhältnis so lange angehoben, bis die Ausgangsspannung den Wert von 20 V erreicht. In diesem Fall nämlich liegt am Ausgang des Spannungsteilers (R4, R11) eine Spannung von 1,26 V – ebenso wie am Ausgang des betreffenden Puffers. Da am Ausgang des Strommessverstärkers (IC1C) eine geringere Spannung liegt, wird die Rückkopplungsspannung nun vom Ausgangsspannungssignal dominiert. Wenn die Last größer wird, steigt die Ausgangsstromstärke und damit auch das Strommesssignal. Überschreitet der Strom die Grenze von 135 mA, wird das entsprechende Messsignal größer als 1,26 V. Es ist damit höher als das Signal des Spannungsteilers und auch größer als die Referenzspannung des Controller-ICs. Der Controller-IC beginnt jetzt sein Tastverhältnis zu reduzieren, um den Ausgangsstrom konstant auf 135 mA zu halten. Wenn die Last nun weiter steigt, wird der Ausgangsstrom konstant gehalten, während das Tastverhältnis und damit auch die Ausgangsspannung verringert werden. Das Rückkopplungssignal wird in diesem Fall vom Signal der Stromregelung dominiert, wogegen das Signal vom Spannungsteiler zur Ausgangsspannungsmessung geringer ist.
Diese Kombination aus Strom- und Spannungsregelung verleiht dem Wandler eine andere Übertragungsfunktion. Stets wird entweder die Ausgangsspannung oder der Strom geregelt. Es wird empfohlen, die Regelschaltung mit einem Netzwerkanalysator durchzumessen und das Kompensationsnetzwerk so zu optimieren, dass der Wandler über den gesamten Betriebsbereich hinweg stabil und zuverlässig arbeitet.
Literatur
[1] Sepic with Adjustable Output Voltage and Input Current Limit Reference Design. Texas Instruments, www.ti.com/tool/PMP10151.
Matthias Ulmann |
|---|
wurde 1980 in Ulm geboren und schloss sein Elektrotechnik-Studium an der dortigen Universität im Jahr 2006 ab. Nachdem er mehrere Jahre im Bereich der Entwicklung von Motorregelungen und der PV-Wechselrichter, mit Spezialisierung auf IGBT-Treiber, tätig war, nahm er an einem einjährigen Trainee-Programm der Analog Academy von Texas Instruments teil. Seit 2010 arbeitet er bei Texas Instruments in Freising als Reference Design Engineer im European Power Supply Design Services Team. Zu seinen Entwicklungsaktivitäten gehören DC/DC-Wandler – mit und ohne galvanische Trennung – für jegliche Anwendungsgebiete. |
asktexas@ti.com
- Wie lassen sich Spannungs- und Stromregelung kombinieren?
- Zwei Messignale zusammenfassen
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Schaltungspraxis - Schaltnetzteil
Primärseitig geregelter, quasiresonanter Sperrwandler
Schaltungspraxis – LED-Treiber
PFC-Sperrwandler versorgt LEDs
Schaltungspraxis - Überlastschutz
Leistungsbegrenzung per Lastschalter
Schaltungspraxis - Akku-Ladegerät
Kostengünstiges 20-W-Ladegerät für Bleiakkus
Schaltungspraxis - Spannungswandler
Aufwärtswandler mit großem Übersetzungsverhältnis
Gleichspannungswandler
Eingangskondensatoren richtig dimensionieren
Stromversorgung
Mit Smart Power lässt sich alles »smart« machen
