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Power-Tipps von TI, Teil 43 Umgang mit hohen dI/dt-Lasttransienten

| Autor / Redakteur: Robert Kollman * / Johann Wiesböck

In diesem Powertipp widmen wir uns der Anzahl der erforderlichen Bypass-Kondensatoren bei realistischen di/dt-Anforderungen am Ausgang der Stromversorgung.

Power-Tipps von TI, Teil 43
Power-Tipps von TI, Teil 43
(Bild: Texas Instruments)

In Power-Tipp 42 haben wir über die Anforderungen für Bypass-Kondensatoren bei Lasten mit sich schnell ändernden Stromstärken gesprochen. Wir haben gesehen, dass Kondensatoren mit geringer äquivalenter Serieninduktivität (ESL) nahe an der Last platziert werden sollen, da schon eine Induktivität von weniger als 0,5 nH extreme Spannungsspitzen verursachen kann. Um diese geringe Induktivität zu realisieren, sind mehrere Bypass-Kondensatoren und mehrere Zwischenverbindungen im Prozessorgehäuse erforderlich. Sehen wir uns die Anzahl der erforderlichen Bypass-Kondensatoren bei realistischen di/dt-Anforderungen am Ausgang der Stromversorgungen an.

Bild 1: Ein einfaches P-SPICE-Modell hilft beim Systemdesign.
Bild 1: Ein einfaches P-SPICE-Modell hilft beim Systemdesign.
(Bild: Texas Instruments)

Bild 1 zeigt das dieser Diskussion zugrundeliegende P-SPICE-Modell des Stromversorgungssystems. In der Darstellung sehen wir eine Stromversorgung mit Kompensationsschaltung, Modulator (G1) und Ausgangskondensator. Verbindungsinduktivität sowie ein Lastmodell mit Bypass-Kondensator, Gleichstromlast und gestuften Lasten sind ebenfalls vorhanden.

Als erstes müssen Sie entscheiden, ob Stromversorgung und Last voneinander getrennt oder als ein geschlossenes Stromversorgungsdesign behandelt werden sollen. Im zweiten Fall können Sie die Bypass-Kapazität der Last nutzen, um die Ausgangskapazität des Netzteils zu verringern und so Kosten zu sparen. Im ersten Fall können Sie Stromversorgung und Last einzeln prüfen. Unabhängig von Ihrem Konzept müssen Sie festlegen, wie viel Bypass-Kapazität an der Last erforderlich ist.

Schätzen Sie zuerst die Verbindungsinduktivität und den Widerstand zwischen Stromversorgung und Last ab. Diese Verbindungsinduktivität (LINTERCONNECT) erzeugt mit dem Bypass-Kondensator (CBYPASS) einen Tiefpassfilter. Nehmen wir an, der Ausgangswiderstand an der Stromversorgung ist gering. Verwenden Sie den charakteristischen Widerstand dieses Tiefpassfilters (ZO), die Höhe des Lastsprungs (ISTEP) und die zulässige Spannungsschwankung (dV), um die Bypassfilter-Anforderungen zu bestimmen (Gleichungen 1 und 2):

Gleichung 1
Gleichung 1

Gleichung 2
Gleichung 2

Wenn wir Gleichung 2 nach Z0 auflösen und das Ergebnis in Gleichung 1 einsetzen, erhalten wir Gleichung 3.

Gleichung 3
Gleichung 3

Interessanterweise hängt die erforderliche Kapazität vom Quadrat des Laststroms geteilt durch das Quadrat der zulässigen Störung ab. Diese beiden Faktoren müssen also sorgfältig festgelegt werden.

Die Verbindungsinduktivität kann von wenigen Zehntel nH bei Stromversorgungen nahe der Last bis zu einigen Hundert nH bei weiter entfernten Stromversorgungen reichen. Eine brauchbare Faustregel ist, dass die Verbindungsinduktivität 6 nH pro cm beträgt. Für einen Lastsprung von 10 A und ein zulässiges Überschwingen von 30 mV können die Bypass-Anforderungen von 500 µF bei 5 nH bis zu unglaublichen 50 mF bei 500 nH reichen.

Dieser Filter reduziert auch die Steilheit des Laststromanstiegs im Netzteil. Wenn ein verlustfreier Filter von einem Strom mit Rechteckform angesteuert wird, ist der Induktionsstrom sinusförmig. Die Anstiegsrate wird berechnet, indem die Strom-Wellenform in den Gleichungen 4–7 abgeleitet wird.

Gleichung 4
Gleichung 4

Gleichung 5
Gleichung 5

Gleichung 6
Gleichung 6

Gleichung 7
Gleichung 7

​Mit einer Verbindungsinduktivität von 5 nH und einem Bypass von 500 µF erzeugt ein Lastsprung von 10 A eine Anstiegsrate von 0,2 A/µS in der Stromversorgung. Eine höhere Induktivität verringert di/dt. Die Zahlen hier sind viel kleiner als die, die Entwickler normalerweise angeben.

Bei einem Ansatz mit geschlossenem System sollten Sie die Gesamtkapazität minimieren und die Regelkreisbandbreite maximieren. Sehen wir uns jetzt einmal den Ansatz mit einzelnen Elementen an. Hier müssen Sie Stabilität der Stromversorgung einerseits ganz ohne und andererseits mit der maximal anzunehmenden Bypass-Kapazität sicherstellen. Wie bereits erwähnt kann die Verbindungsinduktivität die Anforderungen an die Bypass-Kapazität der Last erhöhen. Dies wiederum beeinflusst die Kapazität in der Stromversorgung beim Ansatz mit einzelnen Elementen. Der Wert der Lastkapazität bestimmt die untere Grenzfrequenz des Netzteils. In den Regelkreismodellen Spannungs- wie im Strommodus sind beide proportional. Sie maximieren die untere Grenzfrequenz ohne Lastkapazität, aber sobald die Last verbunden ist, fällt diese signifikant ab.

Tabelle 1: Begrenzung der Stromversorgungskosten durch Design als geschlossenes System.
Tabelle 1: Begrenzung der Stromversorgungskosten durch Design als geschlossenes System.
(Bild: Texas Instruments)

Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der erforderlichen Kondensatoren für drei verschiedene Verbindungsinduktivitäten in unserem Beispielsystem. Diese Daten erhält man, indem man die Verbindungsinduktivität variiert, die Last-Bypass-Kapazität berechnet und eine passende Ausgangsstufe und einen Regelkreis für das Netzteil entwirft. In Fall 1 sind Last und Netzteil nahe beieinander; in Fall 2 existiert zwischen beiden eine mittelgroße Verbindungsinduktivität. In Fall 3 liegt im System eine extrem hohe Verbindungsinduktivität vor, was für ein über lange Kabel verbundene Stromversorgung typisch ist. Die erforderliche Bypass-Kapazität hängt direkt mit der Verbindungsinduktivität zusammen.

In diesem Beispiel ist die Induktivität, und somit die Bypass-Kapazität, im 3. Fall 100x so hoch. Dies beeinflusst das Design des Netzteils, da es mit und ohne Bypass-Kondensatoren stabil sein muss. Der erste Ansatz wird sicher bevorzugt, da hier die geringste Zahl an Kondensatoren verwendet wird und er somit am kostengünstigsten ist. In Fall 2, mit einer vernünftig kontrollierten Verbindungsinduktivität, erhöht sich die Zahl der Kondensatoren leicht. Eine hohe Verbindungsinduktivität, wie in Fall 3, erzeugt jedoch ein signifikantes Kostenproblem. Die Fälle 2 und 3 bedeuten eine Vereinfachung des Tests einer Stromversorgung.

Bild 2: Spannungsüberschwingen wird bei hoher Verbindungsinduktivität zum Problem.
Bild 2: Spannungsüberschwingen wird bei hoher Verbindungsinduktivität zum Problem.
(Bild: Texas Instruments)

Bild 2 vergleicht die Simulation der Ausgangsspannungsänderungen während Lasttransienten bei geringer und hoher Verbindungsinduktivität. Eine geringe Induktivität dämpft die Schwingung schnell, während dies bei hoher Induktivität viel länger dauert. Die Gründe hierfür sind der höhere charakteristische Impedanz und die niedrigere Resonanzfrequenz. Zudem können sehr starke und potenziell schädigende Spannungsschwankungen auftreten, wenn der Laststrom bei dieser Resonanzfrequenz pulst.

Zusammenfassend ausgedrückt, erfordern hohe di/dt-Lastsprünge einen sorgfältige Auswahl der Bypasskondensatoren, um die dynamische Regelung des Netzteils aufrechtzuerhalten. Es ist also äußerst wichtig, auf eine Verbindung zu achten, die eine geringe Verbindungsinduktivität besitzt, sowohl zwischen Last und Bypass-Kondensator als auch zwischen Bypass-Kondensator und Stromversorgung. Ein Designansatz als geschlossenes System stellt die kostengünstigste Lösung dar. Viele Systemingenieure übersehen diese möglichen Einsparungen durch die Verringerung der Lastkapazität, gegenüber dem getrennten Ansatz bei dem Systemprüfungen einfacher sind.

Lesen Sie auch die nächste Ausgabe, in der wir uns mit empirischen Ergebnissen zur Bestimmung der optimalen Gatetreiber-Zeitgebung in einem synchronen Abwärtsregler beschäftigen.

Weitere Informationen zu dieser und anderen Stromversorgungslösungen finden Sie unter www.ti.com/power-ca.

* * Robert Kollman ist Senior Application Manager und Distinguished Member of Technical Staff bei Texas Instruments

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