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Grundlagen Mehr Effizienz im Synchronbetrieb

| Autor / Redakteur: Robert Kollman / Kristin Rinortner

Wurden Sie schon einmal gebeten, ein Netzteil zu konstruieren, das bei geringer Last ein gutes Einschwingverhalten der Last aufweist? Wenn dies der Fall ist und Sie einen diskontinuierlichen Betrieb des Netzteils ausprobiert haben, haben Sie sicher festgestellt, dass die Verstärkung im Regelkreis bei leichten Lasten stark abfällt.

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(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis )

Dies kann zu schlechtem Einschwingverhalten führen und einen starken Ausgangsfilterkondensator erforderlich machen. Ein einfacherer Ansatz ist, das Netzteil bei allen Lasten mit kontinuierlichem Strom zu betreiben.

Bild 1: Ein einfacher Abwärtsregler wurde verwendet, um das Einschwingverhalten darzustellen.

Bild 1 stellt einen einfachen synchronen Abwärtswandler dar. Er wurde verwendet, um das Einschwingverhalten der Last bei kontinuierlichem und diskontinuierlichem Strom in der Ausgangsdrossel darzustellen. Der Strom in der Ausgangsdrossel bleibt kontinuierlich, bis keine Last vorhanden ist, da der Synchrongleichrichter den Strom der Drossel bei leichten Lasten in die umgekehrte Richtung fließen lässt. Der Stromkreis wurde diskontinuierlich gestaltet, indem der untere FET (Q2) durch eine Diode ersetzt wurde. Obwohl dieser Artikel die Unterschiede in einer Abwärtsregler-Topologie zeigt, werden Sie ähnliche Reaktionen bei allen Netzteil-Topologien feststellen

Bild 2a: Synchronbetrieb (links) liefert das beste Einschwingverhalten.

Die Bilder 2a und 2b zeigen zwei Lasteinschwingverhalten bei einer Änderung des Ausgangsstroms um einen Schritt von 700 mA. Der Stromverlauf auf der linken Seite steht für den kontinuierlichen Fall und der Stromverlauf auf der rechten Seite für den diskontinuierlichen Fall.

Bild 2b: Synchronbetrieb (links) liefert das beste Einschwingverhalten.

Im diskontinuierlichen Fall war das Einschwingverhalten dreifach schlechter als im kontinuierlichen Fall. Ein synchroner FET wurde verwendet, um einen kontinuierlichen Betrieb zu erzwingen. Es gibt jedoch auch alternative Möglichkeiten, um ein gutes Einschwingverhalten zu erreichen, einschließlich der Beschaltung mit einer Grundlast oder der Verwendung von Drosseln, die stromabhängig sind. Bei diesen stromabhängigen Drosseln handelt es sich um eine Drossel, deren Induktivität bei niedrigem Strom steigt. Dies wird vor allem durch die Verwendung von zwei Kernmaterialien erreicht: einem starken Ferritkern, der bei niedrigem Strom gesättigt ist; und einem Eisenpulverkern, der nicht gesättigt wird. Der Grund für das beeinträchtigte Einschwingverhalten bei diskontinuierlichem Betrieb liegt in den sich stark ändernden Eigenschaften des Regelkreises.

Bild 3: Bei diskontinuierlichem Betrieb geht eine signifikante Regelkreisverstärkung verloren.

Dies wird in Bild 3 und 4 dargestellt. Die Kurve auf dem Bild 3 zeigt die Verstärkung des Regelkreises bei kontinuierlichem Betrieb. Der Regelkreis hat eine Bandbreite von 50 kHz und tritt mit einer Phasenreserve von 60 Grad durch. Die Kurve im Bild 4 zeigt das Verhalten, wenn die Leistungsstufe in den diskontinuierlichen Betrieb wechselt. Die Leistungsstufe wechselt von einem Paar komplexer Pole während des kontinuierlichen Betriebs zu einem einzelnen reellen Niedrigfrequenz-Pol bei diskontinuierlichem Betrieb.

Bild 4:

Die Frequenz dieses Pols wird durch den Ausgangskondensator und den Lastwiderstand festgelegt. Sie können sehen, wie sich die Phase bei einer niedrigeren Frequenz im Vergleich zum kontinuierlichen Fall in Richtung Niedrigfrequenz-Pol verschiebt. Das Amplitudenverhältnis fällt signifikant bei niedrigeren Frequenzen, da der Pol zu einer viel geringeren Durchtrittsfrequenz führt, wodurch das Einschwingverhalten beeinträchtigt wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Synchrongleichrichtung die Effizienz verbessert und wesentlich zur transienten Lastregelung beiträgt. Dies stellt eine sehr effiziente Alternative zum Beschalten der Stromversorgung mit einer Grundlast dar. Außerdem bietet diese Methode im Vergleich zur Verwendung von stromabhängigen Drosseln konsistentere Regelkreiseigenschaften. Die Dynamik eines herkömmlichen Abwärtsreglers sowie aller Topologien, bei denen Synchrongleichrichtung genutzt werden kann, wird verbessert.