Current-Mode-Schaltregler: Platzierung des Messwiderstands (Teil 2)

Wie Sie den Strommesswiderstand in einer Schaltreglerarchitektur platzieren bestimmt, welche Ströme Sie messen. Wir zeigen, welche Möglichkeiten es gibt und wofür die Variationen gut sind.

Schaltnetzteile: Je nachdem, wie Sie den Strommesswiderstand in den verschiedenen Architekturen platzieren, können Sie beispielsweise den Spitzenspulenstrom, den Valley-Spulenstrom (der minimale Wert des Induktivitätsstromes bei kontinuierlichem Stromfluss) und den durchschnittlichen Ausgangsstrom detektieren.

Die Position des Messwiderstands beeinflusst zudem die Leistungsverluste, Störsignale und die Gleichtaktspannung, die am Überwachungsschaltkreis des Messwiderstands angezeigt wird.

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Abwärtswandler auf der High Side

Bei einem Abwärtswandler (Buck-Regler) kann der Strommesswiderstand an mehreren Stellen angeordnet werden. Befindet er sich auf der High Side des oberen MOSFET (Bild 1) ermittelt er den Spitzenspulenstrom, sofern der obere MOSFET eingeschaltet ist, und kann daher für spitzenstromgesteuerte Stromversorgungen verwendet werden. Allerdings misst er keinen Spulenstrom, wenn der obere MOSFET ausgeschaltet und der untere MOSFET eingeschaltet ist.

In dieser Konfiguration kann die Strommessung störbehaftet sein, da die Einschaltflanke des oberen MOSFET eine hohe Schaltspannung aufweist. Um diesen Effekt zu minimieren, ist eine lange Abschaltzeit des Komparators erforderlich (die Zeit, in der der Komparator den Eingang ignoriert). Dies begrenzt die minimale Einschaltzeit und kann das minimale Tastverhältnis (Tastverhältnis = U_OUT/U_IN) und die maximale Wandlerrate limitieren. Beachten Sie in der High-Side-Konfiguration, dass sich das Stromsignal auf einer sehr hohen Gleichtaktspannung (U_IN) befinden kann.

Abwärtswandler auf der Low Side

In Bild 2 befindet sich der Messwiderstand unter dem unteren MOSFET. In dieser Konfiguration misst er den Valley-Strom. Leistungsverluste sowie Bauteilkosten lassen sich reduzieren, indem man den Einschaltwiderstand R_DS(ON) des unteren FET verwendet, um den Strom ohne einen externen Strommesswiderstand (R_SENSE) zu messen.

Diese Konfiguration wird normalerweise für Valley-Mode gesteuerte Stromversorgungen verwendet. Sie kann empfindlich gegenüber Störungen sein, aber nur, wenn das Tastverhältnis groß ist. Ein Valley-Mode gesteuerter Abwärtswandler erlaubt hohe Regelstufen; allerdings ist sein maximales Tastverhältnis wegen seiner festen/gesteuerten Einschaltzeit begrenzt.

Der Abwärtswandler in Reihe zur Spule

In Bild 3 befindet sich der Strommesswiderstand R_SENSE in Reihe zur Spule L, damit er den kontinuierlichen Spulenstrom ermitteln kann. Dies kann zur Überwachung des Durchschnittsstromes und zur Spitzen- oder Valley-Strom-Überwachung genutzt werden. Dementsprechend ermöglicht diese Konfiguration die Steuerung von Spitzen-, Valley- oder Durchschnittsströmen.

Diese Messmethode bietet das beste Signal/Rausch-Verhältnis. Ein externer Messwiderstand liefert normalerweise ein sehr genaues Strommesssignal für präzise Strombegrenzung und Stromteilung. Allerdings verursacht der R_SENSE auch zusätzliche Leistungsverluste und höhere Bauteilekosten. Um Leistungsverluste und Bauteilekosten zu senken, kann der Gleichstromwiderstand der Spulenwicklung (DCR) genutzt werden, um Strom ohne externen R_SENSE zu messen.

Aufwärts- und invertierender Wandler auf der High Side

Bei einem Aufwärtswandler kann der Messwiderstand in Reihe zur Spule L angeordnet werden, wobei die Spule High-Side-Messungen ermöglicht (Bild 4). Da der Aufwärtswandler einen kontinuierlichen Eingangsstrom hat, ergibt sich eine dreieckige Kurve und der Strom wird kontinuierlich überwacht.

Aufwärts- und invertierender Wandler auf der Low Side

Der Messwiderstand kann sich auch auf der Low Side des unteren MOSFET befinden (Bild 5). In diesem Fall wird der Spitzenschaltstrom (der auch der Spitzenspulenstrom ist) überwacht, woraus sich bei jeder Halbwelle eine Stromkurve ergibt. Wegen des MOSFET-Schalters weist das Stromsignal starkes Schaltrauschen auf.

Buck/Boost-Messwiderstand auf der Low Side oder in Reihe mit der Spule

Bild 6 zeigt einen Abwärts/Aufwärts-Wandler (Buck/Boost) mit vier Schaltern und dem Messwiderstand auf der Low Side. Der Wandler arbeitet im Buck-Modus, wenn die Eingangsspannung wesentlich größer als die Ausgangsspannung ist und im Boost-Betrieb, wenn die Eingangsspannung wesentlich kleiner als die Ausgangsspannung ist.

In dieser Schaltung befindet sich der Messwiderstand unter der aus vier Schaltern bestehenden H-Brücken-Konfiguration. Die Betriebsart (Buck oder Boost) bestimmt, welcher Strom überwacht wird.

Im Buck-Betrieb (Schalter D ist eingeschaltet, Schalter C ist ausgeschaltet) misst der Messwiderstand den Strom, der durch den Schalter B fließt und die Stromversorgung arbeitet als Valley-Current-Mode-Abwärtswandler.

Im Boost-Modus (Schalter A eingeschaltet, Schalter B ausgeschaltet) befindet sich der Messwiderstand in Serie mit dem unteren MOSFET (C) und misst den Spitzenstrom, sobald der Spulenstrom steigt. In dieser Betriebsart wird der Valley-Spulenstrom nicht überwacht und es ist schwierig, den negativen Spulenstrom zu erfassen, wenn die Stromversorgung nur mit schwacher Last arbeitet.

Negativer Spulenstrom bedeutet, dass Energie vom Ausgang zurück zum Eingang gelangt – aufgrund von dabei entstehenden Verlusten sinkt der Wirkungsgrad. Für Anwendungen wie batteriebetriebene Systeme, bei denen der Wirkungsgrad bei geringer Last wichtig ist, ist diese Strommessmethode ungünstig.

Die Wirkungsgradproblematik

Die Schaltung in Bild 7 löst diese Problematik durch Reihenschaltung des Messwiderstands zur Spule, sodass der Spulenstrom sowohl in der Buck- als auch der Boost-Betriebsart kontinuierlich gemessen wird. Da sich der Strommesswiderstand R_SENSE am Knoten SW1 befindet, wo hohes Schaltrauschen vorhanden ist, muss der Controller-IC sorgfältig ausgelegt werden, um eine ausreichende Verzögerungszeit für den internen Stromkomparator zu ermöglichen.

Ein zusätzlicher Messwiderstand lässt sich auch am Eingang zur Eingangsstrombegrenzung oder am Ausgang für Anwendungen mit konstantem Ausgangsstrom wie Batterielade- oder LED-Treiberschaltungen hinzufügen. In diesem Fall kann, da der Durchschnittsein- oder Ausgangsstrom gebraucht wird, ein starker RC-Filter in den Strommesspfad eingebunden werden, um das Strommessrauschen zu verringern.

Bei den meisten der genannten Beispiele ist das Strommesselement ein Messwiderstand. Dies muss jedoch nicht sein und ist oft auch nicht der Fall. Andere Messtechniken nutzen den Spannungsabfall über einem MOSFET oder den DC-Widerstand (DCR) der Spule. Um diese Strommessmethoden geht es in Teil 3 „Strommessmethoden“ unserer Serie zu Current-Mode-Schaltreglern.

* Henry Zhang ist Leiter Anwendungstechnik für Power Products 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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