Analogtipp Mit aktiver Spannungssteuerung die Ausgangskapazität halbieren

Dieser Tipp stellt eine Methode zur präzisen seriellen aktiven Spannungspositionierung (AVP) für einen μModule-Regler mit Keramikkondensatoren vor. Im Vergleich zu einer AVP-Schaltung mit Shunts bietet die serielle AVP eine deutlich bessere Ausgangsspannungsgenauigkeit bei reduzierten Kosten.

Die aktive Spannungspositionierung (AVP; active voltage positioning) steuert die Ausgangsleistung des Netzteils bei geringer Last auf eine höhere und bei hoher Last auf eine geringere Spannung. Ein wesentlicher Vorteil der AVP-Steuerung besteht darin, dass sie das Lasttransientenverhalten verbessert und die Ausgangskapazität reduziert

Bei der AVP-Reihenschaltung werden zwei Widerstände zur Rückkoppelschleife hinzugefügt. Dadurch wird die Genauigkeit der Lastleitung praktisch unabhängig von Änderungen der Verstärkung des gm-Verstärkers (gm = mutual amplifier) ist. Andere AVP-Implementierungen wie die Shunt-AVP offerieren nur eine geringe Genauigkeit der Lastleitung, wenn die Verstärkung des gm-Verstärkers große Änderungen aufweist.

Bei der AVP-Reihenschaltung werden die Ausgangskapazität bis zu 50% reduziert und die Ausgangsspannungsspitzen leicht verringert. Aufgrund der geringeren Ausgangskapazität, die sowohl die Systemzuverlässigkeit deutlich steigert als auch die Kosten senkt, können Keramikkondensatoren verwendet werden. Sonst nötige Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren sind wesentlich unzuverlässiger und teurer.

Zudem verringert sich die Ausgangsspannung bei großem Laststrom und reduziert so die Leistungsaufnahme des Verbrauchers. Das Beispiel des LTM4650-2 zeigt, dass die Einsparung 1,4 W oder 5,6 % beträgt, was die Batterielebensdauer verlängert.

AVP-Reihenschaltung

AVP ändert die Ausgangsspannung des Reglers abhängig vom Laststrom, während bei der konventionellen Methode (ohne AVP) diese Spannung für alle Lasten fix bei nominal U_OUT liegt. Bei der AVP-Methode sinkt die Ausgangsspannung allmählich, wenn sich der Laststrom erhöht. Bei kleinen Lastströmen wird die Ausgangsspannung so gesetzt, dass sie auf einen geringfügig höheren Wert als den Nominalwert regelt und bei großen Lastströmen so, dass die Ausgangsspannung auf einen geringfügig niedrigeren Wert als den Nominalwert geregelt wird.

Steigt der Laststrom plötzlich, startet die Ausgangsspannung bei einem höheren Pegel als nominal, so dass sie stärker abfallen kann und innerhalb des spezifizierten Spannungsbereichs bleibt.

Sinkt der Laststrom plötzlich, beginnt die Ausgangsspannung bei einem geringeren Pegel als nominal, so dass die Ausgangsspannung stärker überschwingen kann und dennoch im spezifizierten Bereich bleibt. Die Ausgangspannung sollte für den gesamten Laststrombereich innerhalb der spezifizierten Grenzen zwischen U_max und U_min) gehalten werden.

Bild 1 zeigt die AVP-Reihenkompensationsschaltung (links). Die interne Referenzspannung (U_REF) und die U_OUT-Rückkopplung sind mit den positiven bzw. negativen Eingängen des Fehlerverstärkers verbunden. U_HI (oder INTV_CC) liefert, verbunden über R_HI, eine geeignete DC-Spannung für den Verstärkerausgang (ITH oder COMP), wodurch verhindert wird, dass der Ausgang in die Sättigung geht. R_LO (der Rückkoppelwiderstand) ist zwischen dem Ausgang (ITH) und dem negativen Eingang (oder FB) platziert. Deshalb dominiert R_LO die Verstärkung des gm-Verstärkers. Die Werte von R_HI und R_LO sollten deutlich höher sein als die von R1 and R2.

AVP-Reihenschaltung mit dem LTM4650-2

Mit dem Synchron-Abwärtsregler im Strombetrieb LTM4650-2 werden nominal 1 V am Ausgang und ein Laststrom von 25 A mit einem Transientenbereich von ± 8 % (160 mV_p-p) geliefert. Bei diesem konventionellen Regler (ohne AVP) ist eine externe Filterung nötig, um eine schnelle Typ-II-Regelschleifenkompensation zu erreichen. Es gibt hier eine Bank von fünf 100-µF-Keramik-Kondensatoren plus zwei 470-µF-POSCAPs (Polymer-Tantal-Solid-Kondensatoren) auf der Ausgangsseite. Ein Lastschritt von 19 A (75 % der vollen Last) und eine Anstiegsrate von 19 A/μs resultieren in einem Einschwingverhalten von 136 mV_p-p (Bild 2).

Bei einer AVP-Implementierung wird eine AVP-Kompensationsschaltung an COMP eingesetzt, wie in Bild 1, rechts, gezeigt. Allerdings ist keine RC-Kompensation erforderlich. Bei halbem Laststrom (12,5 A) ist die Ausgangsspannung auf einen Nominalwert (1 V) durch Fine-Tuning von R2 eingestellt. Mit der Lastwechselreaktion wurde 95 mV_p-p an U_OUT festgestellt. Das Einschwingverhalten wurde damit verbessert. Durch Einstellen der Ausgangsspannung auf 1 V bei 25 A (volle Last) beträgt die Leistung an der Last 25 W. Durch Senken der Ausgangsspannung auf 0,945 V bei einem Laststrom von 25 V liegt die Leistung des Verbrauchers nun bei 23,6 W und die Einsparungen betragen 1,4 W für einen einzelnen Ausgang. Bei zwei Ausgängen liegen die Einsparungen bei 2,8 W (Bild 3).

Bei der AVP-Implementierung lassen sich die beiden POS-Kondensatoren durch zwei Keramikkondensatoren ersetzen, so dass insgesamt 7 x 100-µF-Keramikkondensatoren an C_OUT1 eingesetzt werden. Keramikkondensatoren bieten einen geringeren äquivalenten Serienwiderstand (ESR), eine kleinere äquivalente Serieninduktivität (ESL), niedrigere Kosten, geringere Abmaße und eine höhere Zuverlässigkeit. Das Einschwingverhalten verbessert sich ebenfalls und es wurde eine Ausgangsspannung von 104 mV_p-p gemessen.

Das Implementieren der AVP-Reihenkompensationsschaltung an den µModule-Regler LTM4650-2 ergibt ein verbessertes Einschwingverhalten und einen verringerten Leistungsbedarf bei hoher Last. Diese AVP-Schaltung lässt sich auch zusammen mit vielen weiteren µModule-Reglern betreiben, die einen externen Kompensations-Pin mit einem externen RC-Kompensationsnetzwerk haben (z.B. LTM4630-1, LTM4626, LTM4636, LTM8055-1 usw.). (kr)

* Sin Keng Lee und Zhijun (George) Qian arbeiten als Applikationsingenieure bei Analog Devices in Wilmington / USA.

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