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Grundlagen

Netzteil-Regelschleife mit P-SPICE

| Autor / Redakteur: Robert Kollman / Kristin Rinortner

Netzteil-Regelschleife mit P-SPICE
Netzteil-Regelschleife mit P-SPICE (Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

P-SPICE eignet sich ebenso wie ein anderer Simulator als höchst effektives Hilfsmittel für die Synthese von Regelschleifen für Netzteile. Um dies zu demonstrieren, wird im folgenden Power-Tipp die Regelschleife für den in Bild 1 gezeigten integrierten, synchronen Abwärtswandler mithilfe von P-SPICE ausgearbeitet.

Das verwendete IC arbeitet mit einem Transkonduktanz-Fehlerverstärker und einer internen Spannungsreferenz. Die mit R6 und R7 abgetastete Ausgangsspannung wird mit der internen Referenzspannung von 0,8 V verglichen, woraufhin der Fehlerverstärker am Anschluss COMP (Pin 8) einen Strom ausgibt, dessen Höhe proportional zur Differenz zwischen Soll und Ist-Spannung ist.

Bild 1: Dieser integrierte Current-Mode-Schaltregler bedient sich zur Bandbreitensteigerung einer Kompensation des Typs 3. Bild 1: Dieser integrierte Current-Mode-Schaltregler bedient sich zur Bandbreitensteigerung einer Kompensation des Typs 3.

Der Strom fließt über Kompensations-Impedanzen zur Masse und erzeugt eine Spannung, die den Strom in der Drossel L1 so variiert, dass für eine geregelte Ausgangsspannung gesorgt ist. Das IC bedient sich der Current-Mode-Regelung, um die Ausgangs-Drossel L1 in eine Stromquelle zu verwandeln.

Der Strom in L1 ist stets proportional zu der an COMP anliegenden Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers. Der Drosselstrom fließt über den Ausgangskondensator und den Lastwiderstand und erzeugt dabei eine Spannung, die den Regelkreis schließt.

Bild 2: Die Abtastverzögerung wird in diesem P-SPICE-Modell durch eine Verzögerungsleitung simuliert Bild 2: Die Abtastverzögerung wird in diesem P-SPICE-Modell durch eine Verzögerungsleitung simuliert

Bild 2 zeigt ein auf dem Schaltplan von Bild 1 basierendes P-SPICE-Modell. Die Kompensations-Bauteile R3, C3 und C13 sowie die Widerstände des Spannungsteilers sind identisch mit jenen im Schaltplan. Unterschiede zwischen Schaltplan und Modell bestehen dagegen in folgender Hinsicht:

  •  Der Transkonduktanz-Verstärker und die Leistungsstufe sind als spannungsgesteuerte Stromquellen modelliert.
  • Mit dem Einfügen von Reramp und dem Anheben der Kapazität von C7 werden die internen parasitären Elemente im Zusammenhang mit dem Fehlerverstärker nachgebildet.
  •  Die Kapazität des Ausgangskondensators C11 wird von 47 µF auf 30 µF geändert, um die Kapazitätsreduzierung infolge der DC-Vorspannung zu berücksichtigen.
  • VAC wird eingefügt, damit die Schleifenverstärkung als Verhältnis zwischen der eingespeisten Spannung und der Rückspannung gemessen werden kann.
  • Einfügung der Verzögerungsleitung T1 und des Abschlusswiderstands Rdl. Diese letzte Modifikation hat den Zweck, die Abtastverzögerung der Regelschaltung zu simulieren.

Zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Schaltung ihren Zustand wechseln sollte, und dem tatsächlichen Zustandswechsel existiert immer eine gewisse Verzögerung. Da die durchschnittliche Verzögerungszeit einer halben Schaltperiode entspricht, wird eine Verzögerungsleitung mit genau dieser Zeitkonstante eingefügt und mit einem Abschlusswiderstand von 50 Ω versehen.

Bild 3: Die gemessene Bandbreite der Regelschleife liegt bei einem Drittel der Schaltfrequenz Bild 3: Die gemessene Bandbreite der Regelschleife liegt bei einem Drittel der Schaltfrequenz

Bild 3 gibt die gemessene Schleifenverstärkung des in Bild 1 dargestellten Netzteils wieder. Die Schaltfrequenz des Netzteils beträgt 600 kHz, sodass die nahe 200 kHz liegende Durchtrittsfrequenz ungefähr ein Drittel der Schaltfrequenz ausmacht. Bei einem derart großen Verhältnis zwischen Schalt und Durchtrittsfrequenz darf die Phasenverzögerung des Modulators nicht vernachlässigt werden. Bei 300 kHz (der halben Schaltfrequenz) bewirkt die Abtastverzögerung immerhin eine Phasenverzögerung von 90°.

 

Bild 4: Die zusätzlich eingefügte Verzögerungsleitung verbessert die Genauigkeit des Modells bei hohen Frequenzen Bild 4: Die zusätzlich eingefügte Verzögerungsleitung verbessert die Genauigkeit des Modells bei hohen Frequenzen

Bild 4 zeigt die Simulationsergebnisse für Schleifenverstärkung und Phasengang. Es werden zwei Gruppen mit je zwei Kurven erzeugt, nämlich Verstärkung und Phasengang jeweils vor und nach der Verzögerungsleitung. Simulierte und gemessene Verstärkung zeigen eine gute Übereinstimmung, während der Phasengang ohne Verzögerungsleitung deutlich von der gemessenen Kurve abweicht. Die signifikante Abweichung im Phasengang beginnt bei etwa einem Zehntel der Schaltfrequenz und steigt bis zur Durchtrittsfrequenz auf rund 65° an.

Durch Hinzufügen der Verzögerungsleitung erreicht man, dass Verstärkungs und Phasengang gut korrelieren. Wenn man die Durchtrittsfrequenz weiter an die Schaltfrequenz annähert, wird das Einfügen der Verzögerungsleitung in das Modell immer wichtiger, um zu gewährleisten, dass die Simulationsergebnisse den realen Messungen entsprechen.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass sich die Regelschleife eines Netzteils ohne weiteres mit einfachen spannungsgesteuerten Stromquellen nachbilden lässt. Im vorliegenden Design wurden die spannungsgesteuerten Stromquellen zur Modellierung des Transkonduktanzverstärkers und des Leistungsverstärkers genutzt. Ebenso hätte man jedoch spannungsgesteuerte Spannungsquellen zum Modellieren der Voltage-Mode-Regelung verwenden können.

Wichtig ist es, auch die Werteverschiebungen zu modellieren, die in Kondensatoren durch Vorspannungen und in Drosseln durch Ströme hervorgerufen werden. Auch sollten Abtastverzögerungen mit Verzögerungsleitungen nachgebildet werden, wenn man beabsichtigt, die Regelschleife des Netzteils bei einer Frequenz zu schließen, die größer als ein Zehntel der Schaltfrequenz ist. Beachtet man diese einfachen Regeln beim Design eines Netzteils, reduziert sich der Zeitaufwand für die Fehlersuche beim Bau der Hardware im Labor.

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