Current-Mode-Schaltregler: die Grundlagen

Zur Regelung von Schaltnetzteilen gibt es zwei Verfahren: Voltage-Mode und Current-Mode. Moderne Schaltregler arbeiten nach dem Stromprinzip. Im ersten Teil unserer Serie zum Current-Mode-Verfahren erläutern wir die Grundlagen.

Die Current-Mode-Regelung wird aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit, der einfachen Schleifenkompensation und der einfachen und zuverlässigen Lastverteilung häufig in Schaltnetzteilen genutzt. Das Strommesssignal (Current-Sense-Signal) wird verwendet, um den Ausgang zu regeln und Überstromschutz zu bieten.

Bild 1 zeigt die Current-Mode-Regelung für einen synchronen abwärts wandelnden Schaltregler. Beim LTC3855 handelt es sich um einen Abwärtswandler mit Current-Mode-Regelung mit zyklusweiser Strombegrenzung. Der Messwiderstand R_SENSE (Sense-Widerstand) überwacht den Strom.

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In Bild 2 ist der Drosselstrom für zwei Beispiele auf einem Oszilloskop zu sehen. Im ersten Fall ist eine Last vorhanden, die der Spulenstrom treiben kann (rote Linie), während im zweiten Fall der Ausgang kurzgeschlossen ist (lila Linie).

Zunächst wird der Spitzenspulenstrom über den gewählten Spulenwert, die Einschaltdauer des Leistungsschalters (On Time), die Ein- und Ausgangsspannungen des Schaltkreises und den Laststrom (im Diagramm mit „1“ gekennzeichnet) eingestellt.

Bei einem Kurzschluss steigt der Drosselstrom rasch an, bis er den Stromgrenzwert an dem Punkt erreicht, wo R_SENSE × I_INDUCTOR (IL) der maximalen Strommess-Spannung entspricht – dies schützt den Baustein sowie die nachfolgende Schaltung (im Diagramm mit „2“ gekennzeichnet). Danach reduziert der interne Strom-Foldback-Grenzwert (Nummer „3“ im Diagramm) den Drosselstrom weiter, um die thermische Belastung zu minimieren.

Anwendungsbeispiele für die Current-Mode-Regelung

Die Current-Mode-Regelung dient auch anderen Zwecken. Sie ermöglicht eine genaue Stromaufteilung (Current Sharing) in einer mehrphasigen Stromversorgung. Bei Leistungsschaltungen mit geringer Last kann Current Sensing verwendet werden, um den Wirkungsgrad zu steigern, indem ein Stromfluss in Rückwärtsrichtung (Reverse Current Flow) verhindert wird. (Rückwärtsströme sind Ströme, die in umgekehrter Richtung durch die Drossel fließen – vom Ausgang zum Eingang. Dies kann in manchen Anwendungen unerwünscht oder sogar schädlich sein).

Darüber hinaus kann Current Sensing verwendet werden, wenn an eine mehrphasige Anwendung nur eine geringe Last angeschlossen ist, um die Anzahl der Phasen zu reduzieren, was die Schaltungseffizienz erhöht. Für Lasten, die eine Stromquelle benötigen, kann Current Sensing die Stromversorgung in eine Konstantstromquelle für Anwendungen wie LED-Treiberschaltungen, Batterieladesysteme und Lasertreiber verwandeln.

In Teil 2 dieser Serie „Wo den Messwiderstand platzieren?“ geht es darum, an welcher Stelle der Schaltung der Strommesswiderstand angeordnet werden muss und wie er den Betrieb beeinflusst.

* Henry Zhang ist Leiter Anwendungstechnik für Power Products bei Analog Devices in Milpitas /U.S.A. Mike Shriver ist Senior Applikationsingenieur bei Analog Devices in Milpitas /U.S.A. Kevin Scott arbeitet als Product Marketing Manager für die Gruppe Power Products bei Analog Devices in Milpitas /U.S.A.

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