Power-Tipp Was das Bode-Diagramm über die Spannungswandlung aussagt

Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Entwickler erzeugen Bode-Diagramme gerne mit Berechnungswerkzeugen wie LTpowerCAD oder auch mit Simulationswerkzeugen wie LTSpice. Damit können Sie schnell herausfinden, ob eine geplante Schaltung die Anforderungen an eine dynamische Regelung einhält.

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(Bild: ADI)

Spannungsversorgungen nutzen üblicherweise eine Regelschleife, um eine feste Ausgangsspannung einzustellen Diese Regelschleife kann stabil oder instabil sein. Auch kann sie langsam oder schnell regeln. Um eine solche Regelschleife zu beschreiben, eignet sich für die meisten Fälle ein Bode-Diagramm. Hier lässt sich auf einen Blick erkennen, wie schnell oder langsam die Regelschleife ist und vor allem wie stabil sie regelt.

Bild 1: Beispiel eines Schaltreglers, der eine Regelschleife (dargestellt in grün) nutzt, um seine Ausgangsspannung zu regeln.
Bild 1: Beispiel eines Schaltreglers, der eine Regelschleife (dargestellt in grün) nutzt, um seine Ausgangsspannung zu regeln.
(Bild: ADI)

Bild 1 zeigt einen typischen Schaltregler in einer abwärtswandelnden (Buck) Topologie. Dieser wandelt eine höhere Eingangsspannung in eine niedrigere Spannung. Das Ziel ist, die Ausgangsspannung Uout möglichst genau zu regeln. Hierfür hat die Schaltung eine Regelschleife über den Feedbackpin (FB) eingebaut. Diese erkennt Spannungsänderungen an Uout. Die Regelschleife soll schnell darauf reagieren, damit Uout immer möglichst genau „nach“-geregelt ist.

Die Ausgangsspannung muss nachge­regelt werden, wenn Änderungen an der Eingangsspannung oder dem Laststrom auftreten.

Bild 2: Ein Bode-Diagramm zeigt die Verstärkung der Regelschleife mit einem 0-dB-Durchgang bei ca. 80 kHz.
Bild 2: Ein Bode-Diagramm zeigt die Verstärkung der Regelschleife mit einem 0-dB-Durchgang bei ca. 80 kHz.
(Bild: ADI)

In Bild 2 ist die Verstärkung der Regelschleife in einem Bode-Diagramm dargestellt. Hier werden zwei wichtige Informationen vermittelt. Es wird die Frequenz abgelesen, bei welcher die Verstärkung gleich 1 ist, also bei 0 dB liegt. Bei der Regelschleife in Bild 2 liegt diese ‚Nulldurchgangsfrequenz‘ bei ca. 80 kHz.

Stabilität: Frequenz darf höchstens bei einem Zehntel der Schaltfrequenz liegen

Eine Faustregel aus der Praxis lautet, dass diese Frequenz höchstens bei einem Zehntel der eingestellten Schaltfrequenz liegen sollte. Missachten Sie diese Regel, kann ihre Schaltung sich instabil verhalten.

Die zweite wichtige Information ist die Größe der Fläche unter der Verstärkungskurve, also das Integral der Funktion. Je höher die DC-Verstärkung und je höher die Frequenz des Nulldurchgangs sind, desto besser hält die Regelschleife die Ausgangsspannung konstant.

Bild 3 zeigt das Verhalten der Phase in einem Bode-Diagramm. Der wichtigste Wert, der daraus abzulesen ist, ist die Phasenreserve. Dies ist ein Wert, der Aussagen zur Stabilität der Regelschleife gibt.

Bild 3: Das Verhalten der Phase in der Regelschleife mit einer Phasenreserve von 60°.
Bild 3: Das Verhalten der Phase in der Regelschleife mit einer Phasenreserve von 60°.
(Bild: ADI)

Die Phasenreserve kann im Diagramm bei der Frequenz vom Nulldurchgang der Verstärkung, also Bild 2, abgelesen werden. In gezeigtem Beispiel liegt der Nulldurchgang bei 80 kHz. Somit kann in Bild 3 eine Phasenreserve von ca. 60° entnommen werden. Phasenreserven unterhalb von ca. 40° gelten als instabil.

Zwischen 40 und 70° ist die Regelschleife optimal eingestellt. Hier erhalten Sie einen guten Kompromiss zwischen schneller Regelung und guter Stabilität. Oberhalb einer Phasenreserve von 70° sind Systeme sehr stabil, aber regeln auch recht langsam.

Bode-Diagramme werden üblicherweise nicht in Datenblättern von Schaltreglern dargestellt. Die Diagramme hängen zu stark von der Auslegung der Schaltung ab. Die genutzte Schaltfrequenz, die Wahl der externen Komponenten wie Induktivität und Ausgangskondensator sowie die jeweiligen Betriebsbedingungen wie Eingangsspannung, Ausgangsspannung und Laststrom beeinflussen das Bode-Diagramm stark.

Somit werden Bode-Diagramme gerne mit Berechnungswerkzeugen wie LTpowerCAD oder auch mit Simulationswerkzeugen wie LTSpice erzeugt. Damit können Sie schnell herausfinden, ob eine geplante Schaltung die Anforderungen an eine dynamische Regelung einhält oder nicht.

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

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