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Grundlagen Aufbau von Parallelstromversorgungen nach dem Droop-Verfahren

| Autor: Kristin Rinortner

Parallelgeschaltete Stromversorgungen tendieren dazu, ihre Ausgangsströme untereinander auszugleichen. Diese Eigenschaft nutzt das Droop-Verfahren.

Aufbau von Parallelstromversorgungen nach dem Droop-Verfahren
Aufbau von Parallelstromversorgungen nach dem Droop-Verfahren
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis )
Dieser Power-Tipp beschreibt  ein einfaches Verfahren für den Aufbau von Parallelstromversorgungen. Parallelgeschaltete Stromversorgungen tendieren dazu, ihre Ausgangsströme untereinander auszugleichen. Diese Eigenschaft nutzt das Droop-Verfahren (Ausgangsspannungsabfall-Verfahren).

Einige der wichtigsten Aspekte, die es beim Parallelschalten von Stromversorgungen zu berücksichtigen gilt, lauten wie folgt:

1) Durch die Droop-Schaltung dürfen keine zusätzlichen einzelnen Ausfallpunkte (Single Points-of-Failures) entstehen.

2) Als logische Folgerung aus Bedingung 1 darf die Schaltung nicht im Master-Slave-Betrieb arbeiten.

3) Die Zahl der Verbindungen zwischen den Teilschaltungen muss auf ein Minimum begrenzt werden.

4) Der Wirkungsgrad darf nicht beeinträchtigt werden.

5) Es muss eine gute Spannungsregelung erzielt werden.

6) Am dynamischen Lastverhalten darf sich nichts ändern.

Viele dieser Anforderungen lassen sich auf einfache Weise nach dem Droop-Verfahren erfüllen. Es basiert auf dem Prinzip, dass man ein Abfallen der Regler-Ausgangsspannung als Funktion des Laststroms innerhalb gewisser Grenzen zulässt.

 Bild 1: Das Absenken der Stromversorgungs-Ausgangsspannung ermöglicht eine Stromverteilung Bild 1: Das Absenken der Stromversorgungs-Ausgangsspannung ermöglicht eine Stromverteilung

Wie Bild 1 zeigt, tendieren parallelgeschaltete Stromversorgungen wegen dieser Lastlinie dazu, ihre Ausgangsströme untereinander auszugleichen. In diesem Diagramm ist die Ausgangsspannung gegenüber den Lastcharakteristiken von drei Stromversorgungen dargestellt. Wegen der Bauelementetoleranzen unterscheiden sich die drei Stromversorgungen in ihren Spannungs-Strom-Charakteristiken geringfügig voneinander.

In der Abbildung gibt eine horizontale Linie für einen gegebenen Lastzustand die Ausgangsspannung an, wenn alle drei Stromversorgungen parallelgeschaltet sind. Die Schnittpunkte der horizontalen Linie mit den Lastlinien geben die Ausgangsströme der einzelnen Stromversorgungen an. Bei diesem Verfahren verschlechtert sich offensichtlich die Systemspannungsregelung.

Man muss in diesem Fall einen Kompromiss zwischen der Balance der Einzelströme und der Qualität der Spannungsregelung schließen. Der erste Schritt besteht darin, die Toleranz des Schaltreglers zu bestimmen, d. h. diejenige Abweichung von den Nenngrößen, die sich im ungünstigsten Fall einstellt. Die hierfür maßgeblichen Einflussgrößen sind die Genauigkeit der Spannungsreferenz über der Temperatur und die Spannungsteilertoleranz (siehe Power-Tipp 18).

Während man durch die Wahl der Widerstände (die die Genauigkeit beeinflussen) die Ausgangsspannung an die gewünschte Nennspannung annähern kann, hat dies jedoch keinen Einfluss auf die Stromverteilung. Als nächstes kann man entweder die Neigung der U-I-Kennlinie oder die zulässige Abweichung vorgeben und die andere Größe berechnen. Wenn man davon ausgeht, dass die Neigung relativ konstant ist, lautet der Zusammenhang zwischen den Variablen wie folgt:

Formel Darin sind: SPA = Sollwertgenauigkeit in Prozent; D = Spannungsabfall (Droop) vom Leerlauf- bis zum Volllastbetrieb in Prozent und LE = Lastextremwert oder Betrag der maximalen Lastabweichung in Prozent.

Bei den Berechnungen wird klar, wo die Unzulänglichkeit dieses Verfahrens liegt: Man muss schon die Ausgangsspannung extrem genau einstellen und einen beträchtlichen Spannungsabfall in Kauf nehmen, wenn man eine akzeptable Stromverteilung erzielen will. Beispielsweise kann in dem in Bild 1 gezeigten Fall, der die Verhältnisse bei Toleranzen von 3,5 und 20 % Spannungsabfall wiedergibt, das Ungleichgewicht zwischen den Strömen 35 % betragen. Dieser hohe Droop-Betrag mag in Systemen mit hohen Betriebsspannungen noch akzeptabel sein, in Low-Voltage-Stromversorgungen aber nicht.

Um einen Spannungsabfall zu implementieren, würde es sich auf den ersten Blick anbieten, einfach einen großen Widerstand in Reihe mit der Ausgangsspannung zu schalten, doch die Toleranzbetrachtungen und die resultierenden Verluste sprechen klar dagegen. So würden im obigen Beispiel über 20 % der Ausgangsleistung in diesem Widerstand verlorengehen.

 Bild 2: Bei stromgesteuertem Betrieb ist ein Spannungsabfall leicht zu implementieren Bild 2: Bei stromgesteuertem Betrieb ist ein Spannungsabfall leicht zu implementieren

Eine Alternative wäre es, den Ausgangsstrom der Stromversorgung zu messen und diese Messgröße nach Verstärkung als Offsetgröße für die Ausgangsspannungs-Einstellschaltung zu verwenden. Dies funktioniert bei spannungsgeregeltem Betrieb, doch im Fall der Stromregelung gibt es ein weitaus einfacheres Verfahren. Begrenzt man nämlich die DC-Verstärkung der Regelschleife, so wirkt dies wie ein künstlicher Widerstand.

Anhang 1 zeigt, wie sich die Ausgangsimpedanz (basierend auf Bild 2) auf einfache Weise berechnen lässt. Das Ergebnis lautet, dass die Ausgangsimpedanz dieses Systems gleich dem negativen Kehrwert des Produkts aus der Kompensatorverstärkung und der Verstärkung der Leistungsstufe ist. Die meisten Stromversorgungen enthalten einen Integrator in der Kompensationsschaltung, was in einer sehr großen DC-Kompensatorverstärkung resultiert. Durch Einstellen der DC-Verstärkung auf einen bestimmten Wert lässt sich ein gewünschter Spannungsabfall realisieren. Dies ist gewöhnlich recht einfach zu implementieren, indem man den Fehlerverstärker einfach mit einem zusätzlichen Widerstand belastet.

Von Robert Kollman, Texas Instruments.

 Anhang 1: Ableitung des Ausgangsspannungsabfalls (Droop) im stromgesteuerten BetriebDie meisten Stromversorgungen enthalten einen Integrator in der Kompensationsschaltung, was in einer sehr großen DC-Kompensatorverstärkung resultiert. Durch Einstellen der DC-Verstärkung auf einen bestimmten Wert lässt sich ein gewünschter Spannungsabfall realisieren. Dies ist gewöhnlich recht einfach zu implementieren, indem man den Fehlerverstärker einfach mit einem zusätzlichen Widerstand belastet. Anhang 1: Ableitung des Ausgangsspannungsabfalls (Droop) im stromgesteuerten BetriebDie meisten Stromversorgungen enthalten einen Integrator in der Kompensationsschaltung, was in einer sehr großen DC-Kompensatorverstärkung resultiert. Durch Einstellen der DC-Verstärkung auf einen bestimmten Wert lässt sich ein gewünschter Spannungsabfall realisieren. Dies ist gewöhnlich recht einfach zu implementieren, indem man den Fehlerverstärker einfach mit einem zusätzlichen Widerstand belastet.

 

 

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

, ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.