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Power-Tipps von TI, Teil 25 Verbesserung des Ansprechverhaltens bei einem Lastsprung, Teil 2

| Autor / Redakteur: Robert Kollman * / Johann Wiesböck

Dieser Power-Tipp schließt sich an den Power-Tipp 23 an. Der vorliegende Artikel geht darauf ein, wie die Rückkopplungsschleife in einer galvanisch getrennten Stromversorgung mit einem Shuntregler vom Typ TL431 geschlossen wird.

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Bild 1: Das stark vereinfachte Blockschaltbild zeigt zwei Regelschleifen
Bild 1: Das stark vereinfachte Blockschaltbild zeigt zwei Regelschleifen
(Bild: Texas Instruments)

Außerdem wird ein Verfahren vorgestellt, nach dem sich die Bandbreite der Stromversorgungs-Regelschleife vergrößern lässt, um so das Ansprechverhalten bei plötzlichen Last- und Versorgungsspannungsänderungen zu verbessern.

Um der Diskussion zu folgen, müssen Sie eventuell auf den Vorgängerartikel zurückgreifen. Die Leistungsstufe ist ein stromgesteuerter Sperrwandler mit einem einpoligen Kondensator-Ausgangsfilter.

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Bild 1 zeigt das Blockschaltbild der Regelschleife in stark vereinfachter Form. Im linken Block ist der Fehlerverstärker durch einen Integrator dargestellt, dessen Frequenzgang eine Polstelle im Ursprung aufweist.

Im rechten Block wurden die Verstärkung des Optokopplers und die Stromsteuerschleife zu einer einfachen Verstärkung von K2 und einer Polstelle zusammengefasst, deren Lage durch den Lastwiderstand R und den Ausgangskondensator C gegeben ist.

Das Blockschaltbild enthält zwei Rückkopplungspfade. Einer davon verläuft durch einen Integrator, in welchem das Ausgangssignal mit einem Referenzsignal verglichen wird, während der zweite das Ausgangssignal des Integrators mit der Ausgangsspannung vergleicht.

Die Frequenzgänge der beiden Blocks sind in Bild 2 angegeben. Die blaue Kurve zeigt den Frequenzgang der Leistungsstufe, der sich nur in begrenztem Umfang ändern lässt. Der Lastwiderstand ist durch die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom gegeben, während der Filterkondensator durch Anforderungen bezüglich des Rauschverhaltens, durch die Schaltfrequenz sowie durch Anforderungen an das Lastansprechverhalten gegeben ist.

In gewissen Grenzen kann man die Verstärkung sowohl im Fotokopplerteil als auch im Stromsteuerungsteil der Stromversorgung beeinflussen. Die rote Kurve ist der Frequenzgang des Abschnitts von der Ausgangs- spannung zum Eingang der Leistungsstufe.

Mit nur einem Integrator für die Kompensation ist man beim Kompensieren der Stromversorgung etwas eingeschränkt. Bei hohen Frequenzen hat die Verstärkung von Vout zum Eingang der Leistungsstufe den Wert 1. Wählbar ist nur der Punkt, an dem sie den Wert Null hat. Dieser Punkt ist durch die Frequenz festgelegt, bei welcher der Integrator die Verstärkung 1 hat.

In Bild 2 fällt die Kompensation für Null mit dem Pol der Leistungsstufe bei einer insgesamt einpoligen Tiefpass-Filtercharakteristik zusammen. Zu beachten ist, dass wegen der Kompensationsverstärkung von 1 die Übergangsfrequenz der Stromversorgung durch den 0-dB-Durchgang der Leistungsstufe selbst gegeben ist.

In vielen Fällen liefert ein Integrator nicht genügend Bandbreite für das geforderte Ansprechverhalten. Eine einfache Verbesserungsmöglichkeit besteht darin, statt einer Fehlerverstärkeranordnung vom Typ 1 eine vom Typ 2 zu verwenden.

Ein Verstärker vom Typ 2 wird durch einen Widerstand in Serie mit dem Integrationskondensator erweitert, sowie einen parallelgeschalteten HF-Kondensator, so dass sich die Charakteristik eines Filters mit zwei Polen und einer Nullstelle ergibt.

Bild 3 zeigt den Frequenzgang bei einem Typ-2-Verstärker. In diesem Fall müssen wir uns nicht auf eine Verstärkung von 0 dB an der ersten Nullstelle beschränken, sondern können dort 10 dB festlegen. Auf diese Weise lässt sich die Übergangsfrequenz (bei der sich beide Kurven zu 0 dB addieren) von 2 kHz auf 6 kHz erhöhen.

Zu beachten sind auch die Verhältnisse bei höheren Frequenzen: Wir haben eine Polstelle oberhalb der Übergangsfrequenz gewählt, um so die Störanfälligkeit der Stromversorgung zu verringern. Wie beim einfachen Integrator sinkt die Verstärkung durch den Kompensationsteil niemals unter 0 dB

Die durch den Fehlerverstärker vom Typ 2 möglich gewordene höhere Übergangsfrequenz verbessert das Ansprechverhalten bei Laständerungen.

Bild 4 zeigt die Verbesserung, die durch zwei Schaltungen mit den in den Bild 2 und 3 gezeigten Frequenzgängen erzielt werden kann. Die Schaltungen wurden in P-Spice simuliert und mit jeweils gleichen, stufenförmigen Laständerungen beaufschlagt.

Wie zu erwarten, schlägt sich eine Bandbreitenerhöhung im Verhältnis 3:1 in einer Verringerung der Ausgangsspannungsänderung nieder, die ebenfalls ein Verhältnis von 3:1 aufweist.

Ich hoffe, Sie sind auch nächstes Mal wieder dabei, wenn wir uns näher mit dem Thema Stromverteilung in Hochfrequenzleitungen befassen wollen.

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

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