Power-Tipp Spannungswandler: So optimieren Sie die Regelschleife

Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Bei den meisten Schaltreglern gibt es einen Pin, mit dem die Regelschleife eingestellt werden kann. Doch wie werden die Kompensationskomponenten ausgewählt? Ich stelle Ihnen drei Möglichkeiten vor, mit denen die Kompensation jeder Spannungsversorgung gelingt.

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Spannungswandler: Viele Schaltregler haben einen Pin zum Einstellen der Regelschleifengeschwindigkeit und Stabilität.
Spannungswandler: Viele Schaltregler haben einen Pin zum Einstellen der Regelschleifengeschwindigkeit und Stabilität.
(Bild: ADI)

Die meisten Spannungswandler haben Regelschleifen, mit denen eine Ausgangsspannung auf einen konstanten Wert eingestellt und gehalten wird.

Beim Entwurf einer Spannungsversorgung ist es das Ziel, die Regelschleife so zu optimieren, dass bei Schwankungen der Eingangsspannung und bei Lasttransienten die geregelte Ausgangsspannung nur eine möglichst geringe Abweichung vom Sollwert erfährt.

Ein wichtiger Zusammenhang hierbei ist der Kapazitätswert der Ausgangskondensatoren. Die Ausgangskondensatoren beeinflussen die Regelgeschwindigkeit des Schaltregler-ICs maßgeblich.

Das bedeutet: Ist die Regelgeschwindigkeit besonders schnell, können Sie mit kleineren Ausgangskondensatoren bei gleicher zulässiger Spannungsveränderung am Ausgang arbeiten.

Somit führt ein Optimieren der Regelgeschwindigkeit des Schaltreglers zu reduzierten Systemkosten und kleinerem Platzbedarf der Schaltung, da kleinere Ausgangskondensatoren eingesetzt werden können.

Um die Regelschleife einzustellen, bieten die meisten Schaltregler-ICs einen Kompensationspin, häufig ITH oder Vc genannt.

An diesem Pin können Sie mit geschickter Wahl von Kapazitäten und Widerständen Pole und Nullstellen in die Übertragungsfunktion der Regelschleife hinzufügen, welche für optimales Regelverhalten und hohe Stabilität der Regelschleife sorgen.

Schaltregler: Drei Möglichkeiten um die Kompensation einzustellen

Bild 1: Der Schaltregler LTC3311 mit einem ITH-Pin zum Einstellen der Regelschleifengeschwindigkeit und Stabilität.
Bild 1: Der Schaltregler LTC3311 mit einem ITH-Pin zum Einstellen der Regelschleifengeschwindigkeit und Stabilität.
(Bild: ADI)

Doch wie werden diese Kompensationskomponenten ausgewählt? Hierfür gibt es drei Vorgehensweisen. Die erste ergibt sich aus den Berechnungen im Datenblatt eines Schaltregler-ICs. Unter Berücksichtigung der ausgewählten Leistungsstufe wird ein Stabilisierungskonzept vorgeschlagen. Bild 1 zeigt den LTC3311 mit dem entsprechenden ITH-Pin und passenden Kompensationskomponenten.

Die zweite Möglichkeit ist die Berechnung in LTPowerCAD oder auch einem anderen Tool. Sie gibt einen besseren Überblick über das Verhalten der Regelschleife.

Bild 2: Auswahl der Kompensationskomponenten mittels Berechnung in LTpowerCAD und nachfolgender Optimierung der Regelschleife.
Bild 2: Auswahl der Kompensationskomponenten mittels Berechnung in LTpowerCAD und nachfolgender Optimierung der Regelschleife.
(Bild: ADI)

Bild 2 zeigt die Oberfläche von LTpowerCAD, welche eine graphische Darstellung der Regelschleife in einem Bode-Diagramm sowie das Verhalten der Ausgangsspannung nach Lasttransienten im Zeitbereich darstellt. Hier können Sie bequem die Werte der ITH-Einstellung variieren und somit die optimale Einstellung finden.

Aber: Wir kennen das Sprichwort ‚Grau ist alle Theorie‘. In der Realität gibt es parasitäre Komponenten und dies sollten Sie immer überprüfen, bevor eine Entwicklung in die Serienproduktion überführt wird.

Dazu schließen Sie die bereits ausgewählten Kompensationskomponenten an den ITH-Pin an und machen Lasttransiententests. Damit überprüfen Sie, ob die Spannungsveränderung an Vout im zulässigen Bereich ist und ob der Spannungswandler stabil arbeitet.

Bei diesem Hardwaretest wird jedoch nur eine Einstellmöglichkeit der Kompensation geprüft. Es ist aber gut möglich, dass die optimale Einstellung mit leicht modifizierten Werten besser wird.

Um dies herauszufinden, ist allerlei Lötaufwand an der Hardware nötig, da die Kompensationskomponenten jeweils mit neuen Werten ersetzt werden müssen.

Hardwaretest mit vorkonfiguriertem CR-Netzwerk

Bild 3: Optimieren der Kompensationskomponenten mit dem Board LB013A.
Bild 3: Optimieren der Kompensationskomponenten mit dem Board LB013A.
(Bild: ADI)

Bild 3 zeigt eine dritte, elegante Möglichkeit für dieses Problem mittels vorkonfiguriertem CR-Netzwerk. Das Board LB013B ist eine kleine Platine, auf welcher ein einfaches schaltbares und einstellbares LC-Netzwerk implementiert ist.

Der gesamte Kapazitäts- sowie Widerstandswert kann durch das Betätigen von kleinen Schaltern sowie Drehen von Potentiometern verändert werden. Sie ersparen sich somit das mühsame Löten von Kompensationsbausteinen und können während eines Lasttransiententests in Echtzeit die Kompensationseinstellung optimieren.

Eine Leiterplatte wie das Board LB013A können Sie einfach selbst erstellen oder über Analog Devices erwerben.

Mit den drei vorgestellten Wegen zu einer optimalen Kompensation eines Schaltreglers gelingt Ihnen die Kompensation jeder Spannungsversorgung.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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