Schaltwandler: Was Sie über die Regelalgorithmen wissen müssen

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Die drei Typen von Kompensationsschaltungen

Der Spannungsmodus und der Strommodus erfordern eine Anpassung des Frequenzgangs des Fehlerverstärkers oder eine „Kompensation“, um die Stabilität zu gewährleisten und eine schnelle und genaue Regelung der Ausgangsspannung zu erhalten. Im Laufe der Jahre wurden alle praktischen Anwendungen von drei Kompensationsschaltungen (Typ I, II und III) abgedeckt. Die Typnummer entspricht der Anzahl der Polstellen in der Fehlerverstärkerantwort.

Pol- und Nullstellen – eine Erinnerung: In Regelkreisen spricht man von „Polstellen“ und „Nullstellen“. Das sind Maxima und Minima der Übertragungsfunktion, die bei bestimmten Frequenzen auftreten, und Wendepunkte im Kurvenverlauf Verstärkung über Frequenz darstellen.

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Bild 4 zeigt die Anordnungen. Der Kompensator vom Typ I ist ein Integrator, dessen Verstärkung um 20 dB/Dekade von seinem Maximalwert bei Gleichstrom abfällt. Die Phasenverschiebung beträgt konstant 270° (90° vom Integrator plus 180° vom Operationsverstärker). Diese Kompensation würde einige Regelschleifen stabil halten, weist aber eine sehr niedrige Bandbreite auf.

Die Kompensation vom Typ II wird bei Wandlern mit Strommodus verwendet. Sie hat zwei Polstellen und eine Nullstelle. Wie beim Typ I gibt es bei 0 Hz eine Polstelle, aber auch eine Nullstelle, die man auf die niedrigste Frequenz setzt, bei der die Ausgangsfilterpolstelle erscheint.

Dies hebt die durch die Polstelle verursachte Phasenverschiebung auf und fügt eine Verstärkung hinzu, die den durch die Polstelle bei 0 Hz verursachten Roll-Off bei –20-dB/Dekade unterdrückt. Dadurch wird die nutzbare Bandbreite der Schleife erweitert. Eine letzte Hochfrequenzpolstelle sorgt dafür, dass sich die Verstärkung wieder verringert, bevor die gesamte Phasenverschiebung der Schleife mit etwas Marge 360° erreicht.

Die Kompensation vom Typ III wird für die Regelung im Spannungsmodus verwendet. Hier leitet der doppelpolige Ausgangsfilter einen Verstärkungsabfall mit steiler Flanke von –40 dB/Dekade in der Übertragungsfunktion der Leistungsstufe ein, mit einem schnellen Phasenwechsel von –180°. Der Kompensator hat zwei Nullstellen, die erneut so gesetzt werden, um die beiden Polstellen des Ausgangsfilters zu unterdrücken.

Die Polstelle bei 0 Hz und zwei Hochfrequenzpolstellen halten die Verstärkung hoch und minimieren die Phasenverzögerung bis zu einer möglichst hohen Frequenz. Bei so vielen Variablen, mit denen man spielen kann, können verschiedene Pol-Null-Positionierungsschemata entwickelt werden, um die Ergebnisse unter verschiedenen Bedingungen zu optimieren.

Fazit: Mit den beschriebenen Techniken erreicht man eine brauchbare Verstärkung und eine Bandbreite bis zu einem Zehntel der Schaltfrequenz. Bei höheren Frequenzen kann es zu Schaltrauschen kommen, was zu Problemen führen kann.

* John Woodward ist Executive Business Manager im Bereich Industrial Power bei Maxim Integrated in San Jose / USA.

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