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Design-Tipp Spannungsqualität bei modernen Stromversorgungen

| Autor / Redakteur: Sandra Maile * / Gerd Kucera

Die Entwicklung von effektiven, hochdynamischen und rauscharmen Spannungsversorgungen erfordert ein hohes Maß an Kompetenz und Erfahrung. Herausforderungen und Umsetzung skizziert dieser Beitrag.

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Bild 1: Grundsätzliches Blockschaltbild einer Stromversorgung auf Basis eines gegengekoppelten Reglers mit Stellglied.
Bild 1: Grundsätzliches Blockschaltbild einer Stromversorgung auf Basis eines gegengekoppelten Reglers mit Stellglied.
(Bild: AUTRONIK)

Moderne Elektronik stellt deutlich erweiterte Anforderungen an die Spannungsqualität der Stromversorgung. Dazu gehören hohe Genauigkeit des DC-Spannungspegels, geringe Temperatur- und Altersdrift, geringes Rauschen, Entkopplung vom Lastverhalten und kein Durchgriff der meist deutlich unruhigeren Eingangsspannung auf die Ausgangsspannung. Dem Entwickler solcher Stromversorgungen stehen heute verschiedene Möglichkeiten offen, diese Ansprüche umzusetzen.

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Heutige Spannungsversorgungen basieren fast ausschließlich auf dem Ansatz eines stark gegengekoppelten Regelverstärkers, einer Referenzquelle und eines Stellgliedes. Dieses System besteht aus den Komponenten Regelverstärker, Referenzspannungsquelle und Stellglied. Kern ist der Regelverstärker. Dieser kann diskret als Operationsverstärker oder bereits in einer integrierten Schaltung, z.B. dem PWM-Controller implementiert werden.

Er vergleicht eine feste Referenzspannung mit einem festen Teil der Ausgangsspannung. Abweichungen werden erkannt und ausgeregelt. Die Referenzspannungsquelle ist mittels driftarmen, temperaturstabilisierten Z-Dioden oder hochgenauen Bandgap-Referenzschaltungen realisierbar.

Das Stellglied, der leistungselektronische Teil der Spannungsversorgung, kann als Linearstellglied oder als getaktetes Stellglied (Sperr-, Abwärts-, Flußwandler-Schaltungen etc.) implementiert werden. Besonders bei getakteten Stromversorgungen wird das System durch Ein- und Ausgangsfilterschaltungen ergänzt.

Eine Spannungsqualität lässt sich mit sehr unterschiedlichen Maßstäben bewerten und auf verschiedene Weise optimieren. DC-Genauigkeit: Zentrales Element für eine hohe Gleichstrompräzision ist die Referenzspannungsquelle. Aufgrund überragender Temperatur-Drifteigenschaften und sehr hohen Grundgenauigkeiten werden heute fast ausschließlich Bandgap-Referenzen eingesetzt. Hier sind Grundgenauigkeiten von <0,05% (LM4030, MA6126A), geringer Temperaturdrift von <3ppm/°C (LM4140, MAX6162A) und sehr geringem Rauschen von <2µVpp 0,1 bis10Hz (LM4140, MAX6162A) möglich.

Die Referenzspannungen liegen typischerweise im Bereich von 1,25 bis 5,00 V. Bei Einsatz dieser hochgenauen Referenzspannungsquellen sind auch hochgenaue (≤0,1%), drift- und rauscharme Widerstände Pflicht, wie beispielsweise die P-Serie von Vishay (0,01%, Dünnschicht) für die Bauteile R1, R2.

In der Vergangenheit dominierten Schaltungen mit stabilisierten Z-Dioden, die jedoch eine relativ hohe, dynamische Impedanz und ein hohes Rauschen der Spannungsquelle besitzen. Deshalb ist bei Einsatz von Z-Dioden die Pufferung der Referenzspannung über niederimpedante Keramikkondensatoren zu empfehlen. Werden längere Ausgangsleitungen zur Last hin verwendet oder sehr hohe Lastströme gefahren, dann können Regler mit Sense-Leitungen zum Einsatz kommen.

Hierdurch werden die Spannungsabfälle auf den Lastleitungen vom Regler der Stromversorgung ausgeregelt. Vorteil sind eine erhöhte DC-Genauigkeit und eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz der Spannungsversorgung, bezogen auf die Anschlüsse der Last.

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