Power-tipps von TI, Teil 27 Aufbau von Parallelstromversorgungen nach dem Droop-Verfahren

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Im Power-Tipp Nr. 27 wollen wir uns ein einfaches Verfahren für den Aufbau von Parallelstromversorgungen ansehen.

Einige der wichtigsten Aspekte, die es beim Parallelschalten von Stromversorgungen zu berücksichtigen gilt, lauten wie folgt:

• 1) Durch die Droop-Schaltung dürfen keine zusätzlichen einzelnen Ausfallpunkte (Single Points-of-Failures) entstehen.

• 2) Als logische Folgerung aus Bedingung 1 darf die Schaltung nicht im Master-Slave-Betrieb arbeiten.

• 3) Die Zahl der Verbindungen zwischen den Teilschaltungen muss auf ein Minimum begrenzt werden.

• 4) Der Wirkungsgrad darf nicht beeinträchtigt werden.

• 5) Es muss eine gute Spannungsregelung erzielt werden.

• 6) Am dynamischen Lastverhalten darf sich nichts ändern.

Viele dieser Anforderungen lassen sich auf einfache Weise nach dem Droop-Verfahren erfüllen. Es basiert auf dem Prinzip, dass man ein Abfallen der Regler-Ausgangsspannung als Funktion des Laststroms innerhalb gewisser Grenzen zulässt.

Wie Bild 1 zeigt, tendieren parallelgeschaltete Stromversorgungen wegen dieser Lastlinie dazu, ihre Ausgangsströme untereinander auszugleichen. In diesem Diagramm ist die Ausgangsspannung gegenüber den Lastcharakteristiken von drei Stromversorgungen dargestellt. Wegen der Bauelementetoleranzen unterscheiden sich die drei Stromversorgungen in ihren Spannungs-Strom-Charakteristiken geringfügig voneinander.

In der Abbildung gibt eine horizontale Linie für einen gegebenen Lastzustand die Ausgangsspannung an, wenn alle drei Stromversorgungen parallelgeschaltet sind. Die Schnittpunkte der horizontalen Linie mit den Lastlinien geben die Ausgangsströme der einzelnen Stromversorgungen an. Bei diesem Verfahren verschlechtert sich offensichtlich die Systemspannungsregelung.

Man muss in diesem Fall einen Kompromiss zwischen der Balance der Einzelströme und der Qualität der Spannungsregelung schließen. Der erste Schritt besteht darin, die Toleranz des Schaltreglers zu bestimmen, d. h. diejenige Abweichung von den Nenngrößen, die sich im ungünstigsten Fall einstellt. Die hierfür maßgeblichen Einflussgrößen sind die Genauigkeit der Spannungsreferenz über der Temperatur und die Spannungsteilertoleranz (siehe Power-Tipp 18).

Während man durch die Wahl der Widerstände (die die Genauigkeit beeinflussen) die Ausgangsspannung an die gewünschte Nennspannung annähern kann, hat dies jedoch keinen Einfluss auf die Stromverteilung. Als nächstes kann man entweder die Neigung der U-I-Kennlinie oder die zulässige Abweichung vorgeben und die andere Größe berechnen. Wenn man davon ausgeht, dass die Neigung relativ konstant ist, lautet der Zusammenhang zwischen den Variablen wie folgt:

Darin sind: SPA = Sollwertgenauigkeit in Prozent; D = Spannungsabfall (Droop) vom Leerlauf- bis zum Volllastbetrieb in Prozent und LE = Lastextremwert oder Betrag der maximalen Lastabweichung in Prozent.

Bei den Berechnungen wird klar, wo die Unzulänglichkeit dieses Verfahrens liegt: Man muss schon die Ausgangsspannung extrem genau einstellen und einen beträchtlichen Spannungsabfall in Kauf nehmen, wenn man eine akzeptable Stromverteilung erzielen will. Beispielsweise kann in dem in Bild 1 gezeigten Fall, der die Verhältnisse bei Toleranzen von 3,5 % und 20 % Spannungsabfall wiedergibt, das Ungleichgewicht zwischen den Strömen 35 Prozent betragen. Dieser hohe Droop-Betrag mag in Systemen mit hohen Betriebsspannungen noch akzeptabel sein, in Low-Voltage-Stromversorgungen aber nicht.

Lesen Sie weiter: Berechnung der Ausgangsimpedanz

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