Schaltwandler: Was Sie über die Regelalgorithmen wissen müssen

Es gibt drei grundlegende Regelmethoden für Schaltwandler. Wir beschreiben die Vor- und Nachteile und geben Hinweise zur Auswahl der geeigneten Kompensation für eine schnelle und stabile Regelung.

Seit mindestens dem 17. Jahrhundert gibt es rückgekoppelte Regelungen für lineare Systeme. Diese regelten den Druck und den Abstand zwischen Mühlsteinen und später wurden damit die Dampfmaschinen von James Watt gesteuert. Diese frühen Techniken werden auch heute noch angewendet, beispielsweise für die Regelung von linearen Spannungswandlern.

Heute werden Schaltwandler bei der Leistungsumwandlung bevorzugt. Daher muss die Regelung der Ausgangsspannung für eine Pulsweitenmodulation (PWM) betrachtet werden. In diesem Artikel werden drei gängige Regelungsmethoden mit ihren Vor- und Nachteilen und deren Umsetzung betrachtet: Konstante Einschaltdauer (Constant On-Time), Spannungsmodus (Voltage Mode) und Strommodus (Current Mode).

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Die Regelung mit konstanter Einschaltdauer

Die vielleicht einfachste Regelmethode, die in einem Abwärtswandler verwendet wird, ist die konstante Einschaltdauer: Impulse fester Dauer liefern die Energie an den Ausgang. Die Wiederholrate der Impulse wird variiert, um die Ausgangsspannung konstant zu halten. In Bild 1 erzeugt ein Monoflop einen Impuls fester Länge, wodurch der Strom in der Ausgangsinduktivität linear von ihrem durchschnittlichen DC-Wert ansteigt und den Ausgangskondensator auflädt.

Nach dem Impuls fällt die Kondensatorspannung ab. Fällt die Spannung unter einen Referenzwert, wird der nächste Einschaltimpuls ausgelöst. Dadurch wird die Ausgangsspannung effektiv geregelt, wobei geringe Lasten zu längeren Ausschaltzeiten führen. Die Schaltung verhält sich wie ein Leistungsoszillator mit positiver Rückkopplung, daher wird sie manchmal auch als „Bang-Bang“- oder „Ripple“-Regler bezeichnet. Aufgrund der variablen Ausschaltzeit hat die Schaltung eine von Haus aus variable Frequenz.

Da es keine negative Rückkopplung gibt, ist keine Schleifenkompensation erforderlich und die Schaltung kann sofort auf Laständerungen reagieren. Durch den niederfrequenten Betrieb bei leichten Lasten ist der Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich hoch.

Neben der variablen Frequenz besteht der Nachteil der Schaltung in der benötigten Spannungswelligkeit. Daher muss ein Kompromiss gefunden werden, bei dem die Welligkeit für die Last hinreichend niedrig ist, aber gleichzeitig auch hoch genug für den Gegenkopplungskomparator sein muss, um diesen nicht übermäßig durch Schaltrauschen zu beeinflussen.

Es gibt auch keinen eingebauten Überlastschutz – bei Überlast steigt die Frequenz nur noch weiter an, was zu zusätzlichen Schaltverlusten im Leistungsschalter führt. Daher gibt es in der Regel eine minimale Ausschaltzeit, die im Bild durch den Block mit der Bezeichnung „min off“ definiert ist.

Die Regelung im Spannungsmodus (Voltage-Mode Control)

Dieser Modus arbeitet in der Regel bei fester Frequenz mit PWM. In Bild 2 wird die Ausgangsspannung mit einer Referenz verglichen und ein Fehlersignal U_e erzeugt, das direkt die Dauer des Einschaltimpulses des Leistungsschalters steuert. Es handelt sich um eine lineare negative Rückkopplung, die bandbreitenbegrenzt ist, um Instabilitäten zu vermeiden. Dadurch filtert man unter anderem das Schaltfrequenzrauschen heraus.

In einem Abwärtswandler mit LC-Ausgangsfilter gibt es jedoch oberhalb der Resonanzfrequenz, die nur wenige hundert Hertz betragen kann, bei kleinen Signalen eine Phasenverschiebung von 180°. In Verbindung mit der inhärenten 180°-Verschiebung einer negativen Rückkopplung ergibt sich eine 360°-Verschiebung. Diese führt zu einer Instabilität, wenn es bei dieser Frequenz eine Verstärkung gibt. Das erzwingt im Fehlerverstärker einen Roll-Off der Verstärkung bei einer so niedrigen Frequenz, dass die Regelschleife sehr langsam wird.

Der ESR (Equivalent Series Resistance, ohmscher Anteil der Ersatzserienschaltung) des Ausgangskondensators ist in diesem Fall hilfreich, weil oberhalb der Grenzfrequenz der ohmsche Anteil dominiert. So wird der Ausgangsfilter zu einem LR-Glied, das eine niedrigere Phasenverschiebung aufweist als ein LC-Glied. Dadurch kann die Bandbreite der Regelschleife vergrößert werden. Das Problem tritt jedoch wieder auf, wenn man Keramikkondensatoren verwendet, die einen sehr geringen ESR haben.

In jedem Fall benötigt der Fehlerverstärker eine sorgfältige Anpassung seines Frequenzgangs, um eine hohe Schleifengeschwindigkeit und Ausgangsgenauigkeit zu erzielen.

Die Methode funktioniert nicht nur für Abwärtswandler, sondern auch für andere Topologien wie Aufwärtswandler, Aufwärts-/Abwärtswandler und alle Arten von isolierten Wandlern mit Ausnahme von Gegentaktschaltungen.

Die Regelung im Strommodus (Current-Mode Control)

Cecil Deisch von Bell Labs wird die Erfindung der Regelung im Strommodus zugeschrieben. Damit sollte zunächst die Sättigung von Transformatoren in Gegentaktschaltungen verhindert werden, die mit der Regelung im Spannungsmodus auftritt. Schnell erkannte man, dass die Technik auch auf die meisten anderen Wandler-Topologien gut anwendbar ist. Bild 3 zeigt die Umsetzung. Sie ähnelt dem Spannungsmodus, außer dass die Sägezahnrampe nicht separat erzeugt wird. Sie wird vom ansteigenden Induktionsstrom während der Einschaltzeit abgeleitet.

Das bedeutet, dass der Schalter bei Erreichen eines bestimmten Spitzenstroms ausgeschaltet und mit einem Taktsignal wieder eingeschaltet wird. Dieses Schema hat mehrere Vorteile: Der Ausgangsfilter wird nun von einer kontrollierten Stromquelle angesteuert, was es zu einer „einpoligen“ Antwort macht. Diese hat nur 90° Phasenverschiebung über ihrer Grenzfrequenz, was eine wesentlich höhere Schleifenbandbreite ermöglicht, bevor die gesamte Phasenverzögerung 360° erreicht. Das Kompensationsnetzwerk des Fehlerverstärkers wird deutlich unkritischer und lässt sich leichter in Regler-ICs integrieren.

Der Spitzenstrom wird direkt erfasst, so dass der Schaltstrom bei Überlast Puls für Puls auf einen sicheren Wert begrenzt werden kann. Dadurch kann der Entwickler näher an der magnetischen Sättigungsgrenze der Induktivität arbeiten, da es eine schnelle Strombegrenzung gibt. Schließlich gibt es einen automatischen Vorregel-Mechanismus, der die Impulsbreite bei Spannungsänderung am Eingang direkt regelt.

Im Spannungsmodus hingegen, muss sich eine Änderung der Eingangsspannung erst durch die Endstufe zum Ausgang und zurück durch den Fehlerverstärker ausbreiten, bevor sie korrigiert wird. Im Strommodus wirkt sich eine Änderung der Eingangsspannung direkt auf die Steigung der Induktivitätsrampe aus (Gleichung 1).

Δi = ((U_in – U_out) T_on) / L

Eine höhere Eingangsspannung erzeugt eine steilere Rampe, die früher die Abschaltschwelle erreicht und einen kürzeren Impuls ergibt. Somit wird genau das erreicht, was man für die Korrektur der höheren Spannung benötigt. Die Spannungsregelung ist daher in stromgesteuerten Schaltungen sehr gut.

Ein weiterer Vorteil der Stromregelung ist die Lastverteilung. Wird das gleiche Fehlersignal U_e an mehrere identische Wandler angelegt, bleiben die Spitzenströme der Wandler gleich hoch und damit auch die mittleren Ströme der Wandler.

Es muss natürlich auch einen Nachteil geben. Wird der Stromkreis mit mehr als 50% Einschaltdauer betrieben, tritt ein Effekt auf, der als „subharmonische Schwingung“ bezeichnet wird. Die Schwingung wird durch eine Erhöhung des Amplitudengangs der Stromschleife bei halber Schaltfrequenz verursacht. Dies äußert sich in abwechselnd auftretenden schmalen und breiten Pulsen.

Die Lösung des Problems ist jedoch recht einfach: Man erhöht die Rampensteilheit des Induktivitätsstroms, indem man eine vom Systemtakt abgeleitete Rampe hinzufügt (Slope Compensation). Dazu wird die Stromflanke um etwas mehr als die Hälfte des Betrages der Abwärtsflanke des Induktivitätsstroms erhöht. Eine noch stärkere Steilheit bringt keine weiteren Vorteile, da zu viel Steigungskompensation die Schleife wieder in den Spannungsmodus bringt.

Der Strommodus funktioniert in allen Topologien mit Ausnahme von Halbbrücken, die komplexere Algorithmen benötigen, um eine Unsymmetrie in den Brückenkondensatoren zu vermeiden.

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