D&T_EMTRON_1|04

Getaktete Stromversorgungen mit Hybrid-Control FACHARTIKEL
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lungsansätze. So können z.B. Pole und Nullstellen des Regelkreises
neu programmiert und die Reglerstruktur (Typ I, II oder
III Verhalten bezüglich der Frequenzgangkompensation) frei gewählt
und sogar im Betrieb modifiziert werden, wo bei der analogen
Variante doch des Öfteren zum Lötkolben gegriffen werden
muss. Zudem ist es möglich, gerade für hohe Wirkungsgrade im
Schwachlastbereich, z.B. die Schaltfrequenz dynamisch zu verringern.
Werden komplexere Schaltnetzteil-Topologien gewählt
oder kommt eine synchrone, sekundäre Gleichrichtung zum Einsatz,
kann das Verhalten der Schalter flexibler gestaltet werden,
z.B. die Umschaltung auf reinen Dioden-Gleichrichterbetrieb, um
Rückspeisung zu unterbinden oder einen blindleistungfreien Betrieb
zu erreichen.
Good Old Analog
Grafik 1 zeigt anhand einer einfachen Flyback/Sperrwandler-Topologie
die schematische Funktionsweise einer rein analogen
Schaltnetzteil-Regelung. Die Regelung besteht aus zwei
parallelen Pfaden. Einem Spannungsregler GU, der bereits die
nötige Frequenzgangkorrektur aufweist und einem Stromregler
Gi, der den Sekundärstrom begrenzt. Der nachgeschaltete Multiplikatorknoten
entscheidet, welcher Regler dominant auf den
PWM-Modulator einwirken darf. Der PWM-Modulator besitzt
zusätzlich eine dynamische Strombegrenzung, um auf Kurzschlüsse
reagieren zu können, bei denen unter Umständen die
sekundäre Stromregelung noch nicht voll funktionsfähig ist.
Es handelt sich hier um eine sehr einfache Implementierung
der Regelung. Der Entwickler kann hier noch entscheiden,
ob Regler und PWM-Modulator im Voltage-Mode oder im
Current-Mode arbeiten. Aufgrund der höheren Stabilität und
der inhärent besseren Kurzschlussfestigkeit werden heute Current-Mode-Implementierungen
bevorzugt.
Es ist offensichtlich, dass der Flexibilität dieser rein analogen
Implementierung enge Grenzen gesetzt sind. So z.B. bedeutet
die Anforderung hoher Anlaufströme der Last, das Netzteil für
diese hohen Anlaufströme als Dauerlast auslegen zu müssen.
Ein Derating des Ausgangsstromes über der Temperatur bedeutet
ebenfalls einen nicht unerheblichen Mehraufwand in der
Schaltungstechnik. Theoretisch ist es möglich, auch ein rein
analog implementiertes Schaltnetzteilkonzept mit Komfort/
High-Order-Funktionen auszustatten. Der Schaltungsaufwand
wächst jedoch sehr schnell an, so dass die schiere Zahl an
Bauelementen, Flächenbedarf auf der Platine und der Aufwand
für Qualifikation in der Entwicklung und Test in der Produktion
dem analogen Herangehen enge Grenzen setzen.
Brave New Digital World
Grafik 2 zeigt die Implementierung einer rein digitalen Lösung.
Es soll an dieser Stelle nur die Implementierung in einem
Serien-IC betrachtet werden, auf die der Entwickler weniger Einfluss
hat, als wenn der digitale Teil z.B. mit einem FPGA realisiert
werden würde.
Es fällt sofort auf, dass auf die Regelung deutlich mehr Eingangsgrößen
Einfluss haben als bei der analogen Variante. Diese
höhere Anzahl an Eingangsgrößen ist hier nicht mit einem
Mehraufwand an Schaltungstechnik verknüpft, wie bei der analogen
Variante, sondern fällt quasi als Nebenprodukt ab.
Neben der Realisierung der Regelung mittels digitaler Strukturen
und unter Zurhilfenahme von Z-Transformation und Differenzengleichungen,
die eine sehr genaue Einstellung der
Pol- und Nullstellen des Reglers ermöglichen, kann auch ein
lastabhängiges Verhalten des Reglers implementiert werden.
Betrachtet man die Bandbreite, mit der die Komponenten des
Leistungskreises (Induktivitäten, Kapazitäten) streuen können,
wie z.B. Exemplarstreuungen, Alterung, temperatur- und laststromabhängiges
Sättigungsverhalten usw., bringt die exakte
Platzierung der Pol- und Nullstellen im Sub-Hertz-Bereich dem
Entwickler keinen Vorteil. Begründet dadurch, da die bestimmenden
Leistungsbauelemente hier äußerst analog sind, d.h.
sehr weit streuen können.
Grafik 1 | Flyback mit rein analoger Regelung