EP Basics: Schaltregler Was ist Current Mode Control?

Von Frederik Dostal*

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Schaltregler: Was ist ein Current-Mode-Regler und worin unterscheidet er sich von einem Voltage-Mode-Regler? Wir erklären, welche Vor- und welche Nachteile sich aus der Current-Mode-Regelung ergeben.

Bild 1: Das Grundprinzip eines Current-Mode-Reglers.
Bild 1: Das Grundprinzip eines Current-Mode-Reglers.
(Bild: ADI )

In den Datenblättern von Schaltreglern liest man häufig „Current Mode Control“, also Current-Mode-Regelung. Was bedeutet diese Angabe und welche Vor- und Nachteile ergeben sich aus dieser Regelung?

Bild 1 zeigt das Grundprinzip eines Current-Mode-Reglers. Hier wird die Feedback-Spannung nicht nur mit einer internen Spannungsreferenz verglichen, sondern auch mit einer Sägezahn-Spannungsrampe. Dies ist für die Erzeugung des PWM-Signals für den Leistungsschalter notwendig. Die Steigung dieser Rampe ist bei Voltage-Mode-Reglern fest vorgegeben. Bei Current-Mode-Reglern ist die Steigung abhängig vom Spulenstrom und ergibt sich aus der Strommessung wie in Bild 1 am Schaltknoten dargestellt.

Unterschied Current Mode Control und Voltage Mode Control

Darin unterscheiden sich Voltage-Mode- und Current-Mode-Regler. Der Vorteil besteht darin, dass sich bei einer Eingangsspannungsänderung (Uin in Bild 1) sofort der Spulenstrom anpasst. Somit wird die Information der Eingangsspannungsänderung direkt in die Regelschleife eingespeist, noch bevor die Ausgangsspannung (Uout in Bild 1) dieser Eingangsspannungsveränderung folgt.

Die Vorteile einer Current-Mode-Regelung sind so überzeugend, dass die meisten Schaltregler-ICs nach diesem Prinzip arbeiten.

Bild 2: Vereinfachte Kompensation der Regelschleife bei der Current-Mode-Regelung (im Bode-Diagramm tritt nur eine einfachen Polstelle der Leistungsstufe auf).
Bild 2: Vereinfachte Kompensation der Regelschleife bei der Current-Mode-Regelung (im Bode-Diagramm tritt nur eine einfachen Polstelle der Leistungsstufe auf).
(Bild: ADI )

Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die vereinfachte Regelschleifenkompensation. Das Bode-Diagramm eines Voltage-Mode-Reglers zeigt eine doppelte Polstelle, ein Current-Mode-Regler erzeugt an dieser Stelle nur eine einfache Polstelle der Leistungsstufe. Diese bewirkt eine Phasendrehung von 90 Grad anstatt von 180 Grad bei einer doppelten Polstelle. Somit diese Regelung wesentlich einfacher zu kompensieren, es ist also einfacher, den Regler zu stabilisieren. Bild 2 zeigt die einfache Übertragungsfunktion der Leistungsstufe.

Current-Mode-Regler: Die Nachteile

Es gibt aber auch einige Nachteile. Current-Mode-Regler können die erforderlichen Strommessungen nicht sofort nach einem Schaltübergang ausführen, da sich zu diesem Zeitpunkt starke Störungen in die Messung einkoppeln würden. Somit muss erst einige Nanosekunden gewartet werden, damit die durch das Schalten verursachten Störungen abklingen. Das nennt man „Blanking Time“. Diese erzeugt üblicherweise eine etwas längere minimale On-Zeit im Vergleich zu Voltage-Mode-Reglern.

Bild 3: Subharmonische Oszillation durch einem Current-Mode-Regler.
Bild 3: Subharmonische Oszillation durch einem Current-Mode-Regler.
(Bild: ADI )

Ein weiterer Nachteil sind subharmonische Oszillationen (Bild 3). Wird eine Einschaltdauer von mehr als 50 Prozent benötigt, führt ein Current-Mode-Regler wechselweise kurze und lange Pulse aus. Das gilt in vielen Anwendungen als Instabilität.

Um dies zu umgehen, fügt man in die Stromrampe (Bild 1) eine sogenannte Rampenkompensation hinzu. Dies verschiebt die kritische Einschaltschwelle weit über 50 Prozent, damit auch bei größeren Tastverhältnissen keine subharmonischen Oszillationen entstehen.

So umgehen Sie die Nachteile

Auch die oben erwähnte Einschränkung durch die Blanking-Zeit und die daraus folgenden Begrenzungen bei der Einschaltzeit lassen sich durch Tricks beim IC-Design ausgleichen. Abhilfe schafft beispielsweise „Low Side Current Sensing“. Hierbei wird der Spulenstrom während der Off-Zeit und nicht während der On-Zeit gemessen.

Fazit: In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass die Vorteile einer Current-Mode-Regelung in den meisten Anwendungen überwiegen. Die vorhandenen Nachteile konnten mit unterschiedlichen Schaltungstricks und Modifizierungen so beeinflusst werden, dass sie in der Praxis keine Nachteile mehr darstellen. Somit sind die meisten Schaltregler-ICs, die neu auf den Markt kommen, Current-Mode-Regler. Wenn Sie also Schaltregler ICs auswählen und der bevorzugte IC als Current-Mode-Regler klassifiziert ist, können Sie dies als „Qualitätsmerkmal“ verbuchen.

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

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