Power-Tipp Die Genauigkeit von getakteten Spannungswandlern

Bei der Auswahl eines Spannungswandlers müssen Sie bestimmen, welche Spannungsgenauigkeit in der Anwendung erforderlich ist. Nur so können Sie die unterschiedlichen Bausteine wie Spannungswandler-IC und Widerstandsteiler für die DC-Genauigkeit sowie Spule und Ausgangskondensator für die Ausgangsspannungswelligkeit und die Lasttransienten richtig auswählen.

Getaktete Spannungswandler haben einen Feedback-Pin, über den die Ausgangsspannung eingestellt werden kann. Diese Spannung wird mit der Spannungsversorgungsschaltung geregelt. Jedoch stellt sich die Frage, wie genau die Spannung geregelt wird.

Bild 1 zeigt einen getakteten Spannungswandler nach dem Prinzip des Abwärtswandlers.

Aus einer vorhandenen, meist ungeregelten Versorgungsspannung (Eingangsspannung) wird eine möglichst genau geregelte Ausgangsspannung erzeugt.

Die Genauigkeit der Ausgangsspannung wird von mehreren Einflüssen und Toleranzen bestimmt, der DC-Toleranz, der Ausgangsspannungswelligkeit und den Lasttransienten.

DC-Toleranz: Die Abweichung bei der DC-Regelung basiert auf der Genauigkeit der im Spannungswandler enthaltenen Referenzspannung (ref in Bild 1). Diese erstellt der Entwickler der integrierten Schaltung so, dass innerhalb des Versorgungsspannungsbereichs, der Fertigungstoleranzen des IC sowie des Betriebstemperaturbereiches nur geringe Abweichungen entstehen. Die vorhandene Toleranz ist in den Datenblättern der Spannungswandler-ICs zu finden.

Dieser Wert wird unterschiedlich angegeben: „Reference Voltage Line Regulation“, „Output Voltage Load Regulation“ oder „Regulated Feedback Voltage“. Letzteres beinhaltet neben der Genauigkeit der reinen Referenzspannung auch noch weitere IC spezifische DC-Toleranzen am Feedback-Pin.

Zusätzlich zu diesen Toleranzen beinhaltet die DC-Toleranz die Abweichung der Widerstandswerte des Widerstandsteilers zwischen der geregelten Ausgangsspannung und dem Feedback-Pin (Rfb1 und Rfb2 in Bild 1). Diese Widerstände können mit unterschiedlichen Toleranzbereichen erworben werden. Üblicherweise hat ein Widerstand auch tatsächlich einen Widerstandwert in der Nähe der maximal angegebenen Toleranz. Höherwertige Widerstände mit einem engeren Toleranzbereich werden als genauer spezifizierte Widerstände vertrieben.

Ausgangsspannungswelligkeit: Die geregelte Ausgangsspannung hat bei einem getakteten Spannungswandler immer eine gewisse Spannungswelligkeit. Diese wird durch den Anstieg und Abfall des Spulenstroms bei einem Abwärtswandler (Buck Regler) und dem Wert des Ausgangskondensators und dessen ESR (Equivalent Series Resistor, äquivalenter Serienwiderstand) bestimmt. Die Spannungswelligkeit kann durch einen hohen Induktivitätswert der Spule und einen großen Ausgangskondensator mit geringem ESR verkleinert werden, ganz verhindern lässt sich die Ausgangsspannungswelligkeit bei einem getakteten Spannungswandler jedoch nicht.

Lasttransienten: Der dritte Einfluss auf die Genauigkeit der erzeugten Spannung ist das Verhalten bei Lasttransienten. Ändert sich der Laststrom, weicht die erzeugte Spannung nach oben oder nach unten ab. Je mehr Hub die Lasttransiente hat und je schneller diese stattfindet, desto größer ist die kurzzeitige Abweichung der Ausgangsspannung vom Sollwert.

Um diesen Einfluss am Fehler der erzeugten Spannung so gering wie möglich zu halten, muss man die Regelschleifengeschwindigkeit erhöhen. Ein Werkzeug, welches eine Spannungswandlerschaltung dahingehend optimiert, ist LTpowerCAD.

In Bild 2 ist die Lasttransiente eines LT8642S dargestellt. Der Laststrom wird von 100 mA auf 5 A innerhalb von 500 ns angehoben und nach 250 µs wieder abgesenkt. Der Spannungsüberschuss beträgt ca. 27,5 mV und der Spannungseinbruch beträgt ca. 26,4 mV.

Die Messung der Lasttransiente wurde mit dem LTpowerAnalyzer ausgeführt. Mit dieser Hardware lassen sich Lasttransienten flexibel und einfach messen. Bild 3 zeigt die unterschiedlichen Einflüsse auf den Fehlertoleranzbereich eines getakteten Spannungswandlers.

Zu guter Letzt wird die Regelschleife der Schaltung optimiert, um anfallende Lasttransienten so gut wie möglich, also mit möglichst geringem Spannungsversatz, zu versorgen. (kr)

* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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