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Design Schleifenkompensation bei Schaltnetzteilen: Modellierung und Design, Teil 1 Elektroniksysteme werden, wegen der zunehmenden Anzahl an Versorgungsspannungen, immer komplexer. Entwickler müssen daher meist eigene Stromversorgungen aufbauen, und können keine „von der Stange“ einsetzen, damit sie das Optimum bei Leistungsdichte, Zuverlässigkeit und Kosten erzielen. Damit müssen sie sich laufend der Herausforderung stellen, leistungsfähige Schaltnetzteile zu entwickeln und zu optimieren. Bild 1: Typische Wellenformen am Ausgang und am Schaltknoten eines unstabilen Buck-Wandlers Das Design der Schleifenkompensation in Schaltnetzteilen ist eine große Herausforderung, besonders für unerfahrene Stromversorgungsentwickler. In der Praxis erfordert es viele Iterationsschritte für die Ermittlung der Werte der Kompensationskomponenten. Das ist nicht nur zeitraubend, sondern muss in einem komplexen System präzise sein, da Bandbreite und Stabilität durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden. Diese Applikationsschrift zeigt die Basiskonzepte und Methoden der Kleinsignalmodellierung von Schaltnetzteilen und des Designs der Schleifenkompensation. Dabei wird als typisches Beispiel ein Abwärtswandler verwendet, das Konzept kann aber auch auf andere Topologien übertragen werden. Außerdem wird in das benutzerfreundliche LTpowerCAD- Designtool eingeführt, welches das Design vereinfacht und optimiert. Problemerkennung Ein perfekt entwickeltes Schaltnetzteil (SMPS) muss akustisch und elektronisch leise sein. Ein unterkompensiertes System führt zu instabilem Betrieb. Typische Symptome hierfür schließen ein: hörbare Geräusche von den magnetischen Komponenten oder den Keramikkondensatoren, aber auch Jitter im Schaltverlauf, Schwingen der Ausgangsspannung, Überhitzung des Leistungs FETs u.a.m. Bild 2: Typischer Buck-Wandler (LTC3851, LTC3833, LTC3866, …) Henry J. Zhang Applications Engineering Manager Power Products Linear Technology Corp. www.linear.com 28 hf-praxis 2/2017
Design Bild 3: Typischer Lasttransienten-Verlauf: Links: überkompensiertes System, geringer Bandbreite und stabil, mitte: unterkompensiertes System, große Bandbreite aber unstabil, rechts: optimales Design mit schneller und stabiler Regelschleife Schleifenstabilität. Leider sehen diese für den unerfahrenen Schaltnetzteil Entwickler am Oszilloskop alle gleich aus. Auch für erfahrene Entwickler wird die Identifizierung des Auslösers oft schwierig. Bild 1 zeigt die typischen Wellenformen am Ausgang und am Schaltknoten eines instabilen Buck-Wandlers. Eine Justierung der Schleifenkompensation kann helfen – oder auch nicht, da das Schwingen auch von anderen Faktoren beeinflusst wird, z.B. durch das Rauschen auf den Leiterbahnen. Hat man nicht eine Liste an weiteren Möglichkeiten, kann die Ermittlung des Rauschens eine zeitaufwändige und frustrierende Arbeit sein. Bild 4: Buck-DC/DC-Wandler mit seinen zwei Betriebsarten innerhalb einer Schaltperiode TS Bild 5: Modellierungs-Schritt 1: Ersatz der 3-Terminal-PWM-Schaltzelle zur gemittelten Strom- und Spannungsquellen Bild 6: Ergänzung des Produkts von zwei Variablen mit dem linearen Kleinsignal-AC-Teil und dem DC-Betriebspunkt (OP) Es gibt für das unerwünschte Schwingen auch noch andere Gründe als eine schlechte Bei Wandlern für Schaltnetzteile wie den Current-Mode Bucktypen LTC3851 oder LTC3833 in Bild 2, kann man schnell feststellen, ob der instabile Betrieb durch die Schleifenkompensation verursacht wird. Man platziert dazu einen großen Kondensator von 0,1 µF am Ausgangspin (ITH) des Fehlerverstärkers nach Masse des ICs. (Er kann auch zwischen dem Verstärker- Ausgangspin und dem Rückkopplungspin für den Spannungsmode platziert werden). Ein 0,1-µF-Kondensator ist gewöhnlich groß genug zur Verringerung der Schleifenbandbreite bei niedrigen Frequenzen, womit Schleifenstabilität erreicht wird. Wird die Stromversorgung mit diesem Kondensator stabil, ist das Problem mit der Kompensation der Schleife gelöst. Ein überkompensiertes System ist bei geringerer Bandbreite und langsameren Ansprechen auf Transienten gewöhnlich stabil. Hier benötigt man einen sehr großen Ausgangskondensator, um das Ansprechen auf Transienten zu beherrschen, somit nehmen Kosten und Platzbedarf zu. Bild 3 zeigt den transienten Verlauf von Ausgangsspannung und Induktorstrom des Abwärtswandlers während eines Lastsprungs. Bild 3a zeigt das gleiche für ein stabiles überkompensiertes System mit niedriger Bandbreite, es zeigt große Über- und Unterschwingung während der Transienten. Bild 3b stellt ein hf-praxis 2/2017 29
