Hysteretic-Schaltwandler Ripple-Management löst Problem der Restwelligkeit

Autor / Redakteur: Ernest Bron* / Gerd Kucera

Zahlreiche DC/DC-Controller arbeiten mit einer Hysterese. Die Schaltfrequenz lässt sich praktisch nicht vorhersagen und die Ausgangsspannung ist prinzipbedingt mit einer gewissen Welligkeit (Ripple) der Ausgangsspannung behaftet.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Zahlreiche DC/DC-Controller arbeiten mit einer Hysterese. Dieses Prinzip kommt ohne Schleifenkompensation aus. Der Nachteil: Die Schaltfrequenz lässt sich praktisch nicht vorhersagen und die Ausgangsspannung ist prinzipbedingt mit einer gewissen Welligkeit (Ripple) der Ausgangsspannung behaftet. Lösung: das Ripple-Management. Es ist das Grundprinzip von COT-Controllern, die Welligkeit der Ausgangsspannung zu erfassen und die Feldeffekt-Transistoren (FETs) entsprechend zu schalten. Der vorliegende Beitrag beschreibt unter anderem, weshalb COT-(Constant-On-Time-)Controller auf Welligkeit des Ausgangssignals angewiesen sind, welche Auswirkungen die Welligkeit auf die Ausgangsspannung hat und wie sich ein System entwerfen lässt, das trotz Welligkeit nur ein Minimum an ungünstigen Nebeneffekten aufweist.

Ein typischer Controller erfordert an seinem Feedback-Pin eine Welligkeit von ungefähr 10 mV. Wie wirkt sich dies auf die Regelung der Ausgangsspannung aus? Um die Frage zu beantworten, wird ein Abwärtsregler mit einer Feedback-Spannung von 1,2 V und einer Ausgangsspannung von 5 V betrachtet. Eine Welligkeit von 10 mV am Anschluss für Voltage Feed Back (VFB-Pin) hat hier eine Ausgangsspannungswelligkeit von rd. 42 mV am 5-V-Ausgang zur Folge. Dies entspricht ungefähr 0,8% und dürfte in den üblichen 5-V-Systemen kein Problem darstellen. Je kleiner aber die Ausgangs- und die Feedback-Spannung werden, umso mehr fällt die Welligkeit ins Gewicht.

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Kleinere Ausgangsspannung – höhere Anforderung an die Regelgenauigkeit

Nehmen wir also dieselbe Berechnung für ein System mit 0,8 V Feedback-Spannung und 1,3 V Ausgangsspannung vor – wiederum mit einer minimalen Welligkeit von 10 mV an VFB. Die Welligkeit der Ausgangsspannung beträgt dann mindestens 16,5 mV (etwa 1,3%). Berücksichtigt man außerdem, dass bei kleineren Ausgangsspannungen üblicherweise höhere Anforderungen an die Regelgenauigkeit gestellt werden, wird deutlich, weshalb die Welligkeit zunehmend problematisch ist.

Hinzu kommt, dass ein Design mit COT-Controller unbedingt auf eine Welligkeit am Feedback-Pin angewiesen ist. Normalerweise entsteht die Welligkeit durch den Laststrom im Verbund mit dem Ausgangskondensator und dessen effektivem Serienwiderstand (Equivalent Series Resistance; ESR). Es ist deshalb schwierig, für einen einwandfreien Betrieb eines COT-Controllers (ebenso wie eines jeden anderen Hysterese-Reglers zu sorgen), wenn der Ausgangskondensator einen niedrigen ESR aufweist.

Hierauf konzentriert sich in vielen Designs das gesamte Problem. Häufig führt an der Verwendung von Keramikkondensatoren kein Weg vorbei, denn diese Bauelemente sind preisgünstig, haben einen sehr niedrigen ESR, der mithilft, Spannungsspitzen im System zu verringern, und haben sich deshalb zum meistverwendeten Kondensatortyp entwickelt.

Damit es funktioniert, wird die Welligkeit künstlich erzeugt

Bei den meisten Leistungswandler-Bausteinen (etwa LDOs oder DC/DC-Wandlern) ist die interne Regelschleife für den Betrieb mit Ausgangskondensatoren mit niedrigem ESR (z.B. Keramikkondensatoren) optimiert. Hysterese-Regler jedoch sind auf eine bestimmte Welligkeit angewiesen, um funktionieren zu können. Damit diese Regler auch mit Keramikkondensatoren arbeiten können, muss diese Welligkeit künstlich erzeugt werden.

Der einfache Weg, für Welligkeit zu sorgen, ist es, den ESR des Ausgangskondensators bewusst zu erhöhen. Bild 1 zeigt die Innenschaltung des kürzlich vorgestellten synchronen COT-Abwärtsreglers LM1771, an dem sich die Vorteile COT-basierter Controller bestens verdeutlichen lassen.

Der Baustein reguliert das On-Intervall in umgekehrtem Verhältnis zur Eingangsspannung, womit die Schaltfrequenz über die Eingangsspannung konstant bleibt. Da keine Schleifenkompensation erforderlich ist, fehlen auch die entsprechenden Pins. Insgesamt handelt es sich hier somit um einen überaus kompakten, einfach anzuwendenden Abwärtsregler mit sehr wenigen Pins und konstanter Schaltfrequenz.

Sorgfalt hinsichtlich Ausgangsströme ist angebracht

Auf zwei Grundprinzipien für die Welligkeitserzeugung wird auch im Datenblatt des Bausteins eingegangen. Ist die Ausgangsspannung hoch, verglichen mit VFB (Voltage Feed Back), kann die obere Schaltung in Bild 2 benutzt werden. Hier wird der Widerstand Rsns mit der Induktivität in Reihe geschaltet, um den Ausgang mit einer Welligkeit zu versehen. In Verbindung mit Cff entsteht am Feedback-Pin eine Welligkeit, ohne dass es am Ausgang zu einer zusätzlichen Spannungs-Welligkeit oder einem DC-Offset kommt. Cff richtet einen Pfad geringer Impedanz ein, über den die hochfrequente Welligkeit direkt an den Feedback-Pin gelangen kann.

Sorgfalt ist bezüglich der Ausgangsströme angebracht, denn mit zunehmendem Ausgangsstrom können die Verluste in Rsns nicht mehr vernachlässigt werden. Diese Schaltung empfiehlt sich deshalb nur für Designs mit Ausgangsströmen bis 2 A.

Je niedriger die Ausgangsspannung, umso mehr hat die Schaltung in Bild 1 oben mit Problemen zu kämpfen, da die Welligkeit der Ausgangsspannung immer dominanter wird. Die Schwierigkeiten resultieren daraus, dass die Welligkeit der Ausgangsspannung gegenüber der von Cff direkt injizierten Welligkeit phasenversetzt ist. Hier muss man deshalb auf die unten in Bild 2 gezeigte Konfiguration ausweichen.

Die notwendige Welligkeit erzeugt ein zusätzlicher Widerstand

Rsns ist hier mit dem Keramik-Ausgangskondensator mit seinem niedrigen ESR direkt in Reihe geschaltet. Die Welligkeit wird durch den zusätzlichen Widerstand erzeugt und mit Hilfe der Feedback-Schaltung dem Feedback-Pin zugeführt. Auf Cff kann also verzichtet werden, dafür aber tritt die gesamte Welligkeit jetzt am Ausgang auf. Im Prinzip tut man dabei nichts weiter, als einen nichtkeramischen Kondensator mit höherem ESR zu emulieren. Ob dies ein Problem ist, hängt von der Applikation ab.

Eine Alternative zu den gebräuchlicheren Schaltungen in Bild 2 ist in Bild 3 wiedergegeben. Die Welligkeit wird dabei mit nur geringen Effizienzeinbußen und niedriger Ausgangsspannungs-Welligkeit induziert. Die Welligkeit wird aus dem Knoten injiziert, der FET und Induktivität verbindet. Mit Crip wird für Wechselströme zum Feedback-Pin ein Pfad geringer Impedanz geschaffen. Rrip legt die Höhe des Stroms fest und Cff integriert diesen Strom zu einer Spannungswelligkeit, die der DC-Feedbackspannung überlagert wird.

Der Einsatz von Keramikkondensatoren kann schwierig sein

Diese alternative Konfiguration hat gewisse Vorteile. Erstens kommen im Hauptleistungspfad keine zusätzlichen Widerstände hinzu, was für geringst mögliche Effizienzeinbußen bürgt. Zweitens erhält der Ausgangskondensator keinen Serienwiderstand, wodurch die Welligkeit der Ausgangsspannung auf einem minimalen Niveau gehalten wird.

COT-Controller sind wegen der fehlenden Schleifenkompensation einfach anzuwenden und haben deshalb große Verbreitung gefunden. Da sie allerdings für ihren Betrieb zwingend auf eine gewisse Welligkeit angewiesen sind, kann sich ihr Einsatz in Verbindung mit Keramik-Kondensatoren schwierig gestalten.

Es geht dann nicht ohne künstliche Erzeugung dieser Welligkeit, doch kann sich dies ungünstig auf den Wirkungsgrad oder die Welligkeit der Ausgangsspannung auswirken. Die Schaltung in Bild 2 zeigt allerdings, dass es durchaus Alternativen gibt, die für die nötige Welligkeit am Feedback-Pin sorgen und dennoch nur geringfügige Rückwirkungen auf den Wirkungsgrad und die Ausgangsspannungswelligkeit haben.

National Semiconductor, Tel. +49(0)69 95086208

*Ernes Bron ist Principal Field Application Engineer bei National Semiconductor in Schijndel, Niederlande.

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