Buck-Boost-Wandler Bandbreite und Transienten gezielt optimieren

H-Brücken-Buck-Boost-Wandler stehen vor einem grundlegenden Zielkonflikt: Während im Buck-Betrieb hohe Regelbandbreiten möglich sind, begrenzt im Boost-Betrieb das Right-Half-Plane-Zero (RHPZ) die Dynamik des Regelkreises erheblich.

H-Brücken-Buck-Boost-Wandler kommen häufig in Anwendungen zum Einsatz, die eine konstante Spannungs- oder Stromquelle erfordern, selbst wenn eine Batteriespannung auf niedrigere Werte abfällt. Sie werden typischerweise angewandt, wenn ein einstufiger Wandler benötigt wird und der Ausgangswert über oder unter der Eingangsspannung liegen kann. Außerdem werden sie als Stromquellen für LED-Anwendungen verwendet, um das Design der typischen Buck-Boost-Schaltung auf eine einzige Stufe zu vereinfachen. Diese Topologie wird häufig eingesetzt, da sie ohne gekoppelte Induktivitäten auskommt.

Wie der Name schon sagt, ist die H-Brücken-Buck-Boost-Architektur eine Kombination aus einer Buck- und einer Boost-Schaltung, die zu einem einzigen Wandler zusammengefasst sind. Die Schaltung benötigt vier Schalter für den Betrieb. Diese vier Schalter regeln die Ausgangsspannung, indem sie das Verhältnis zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung erfassen und so den Betriebsmodus bestimmen.

Die H-Brücken-Buck-Boost-Schaltung arbeitet in einem von mehreren Modi. Wenn die Eingangsspannung deutlich höher ist als die Ausgangsspannung, arbeitet die Schaltung im reinen Buck-Modus, indem die Schalter 1 und 2 umgeschaltet werden (siehe Bild 1). Wenn die Eingangsspannung deutlich niedriger ist als die Ausgangsspannung, arbeitet die Schaltung im reinen Boost-Modus, indem die Schalter 3 und 4 umgeschaltet werden (siehe Bild 1).

Liegt die Eingangsspannung nahe an der Ausgangsspannung, arbeitet die Schaltung im Buck-Boost-Modus. In diesem Modus gibt es mehrere Möglichkeiten, die vier Schalter zu steuern, um eine korrekte Regelung zu erreichen.

Betriebsmodi

Um den Betriebsmodus zu bestimmen, muss die Schaltung das Verhältnis von Ausgangs- und Eingangsspannung erfassen. Dieses Verhältnis wird dann mit intern festgelegten Werten verglichen.

Typischerweise wird diesen Werten eine gewisse Hysterese zugewiesen, um bei ansteigenden und abfallenden Eingangsspannungen sanfte Übergänge zwischen den Betriebsmodi zu gewährleisten.

Buck-Bereich: Wenn der interne Komparator für den Buck-Modus auslöst, weil die Ausgangsspannung ausreichend niedriger als die Eingangsspannung ist, arbeitet die Schaltung als reiner Buck-Wandler. Um im Buck-Bereich zu arbeiten, müssen Schalter 3 immer geschlossen und Schalter 4 immer offen sein. Die Schalter 1 und 2 können dann LX1 umschalten, wie in einem klassischen Buck-Wandler mit erzwungener Pulsweitenmodulation (FPWM) (Bild 2).

Boost-Bereich: Wenn der interne Komparator für den Boost-Modus auslöst, weil die Ausgangsspannung ausreichend höher als die Eingangsspannung ist, arbeitet die Schaltung als reiner Boost-Wandler. Um im Boost-Bereich zu arbeiten, müssen Schalter 1 immer geschlossen und Schalter 2 immer offen sein. Die Schalter 3 und 4 können dann LX2 umschalten, wie sie es in einem normalen FPWM-Boost-Wandler tun würden (Bild 2).

Buck-Boost-Bereich: Liegt die Ausgangsspannung nahe an der Eingangsspannung (entweder geringfügig höher oder niedriger), arbeitet die Schaltung im Buck-Boost-Bereich.

Wechselnde Buck-Boost-Regelung

Im wechselnden Buck-Boost-Modus regelt die Schaltung die Ausgangsspannung, indem sie zwischen der Buck- und der Boost-Seite wechselt. Das bedeutet, dass die Schaltung zunächst die Buck-Schalter betätigt und das Tastverhältnis durch die Komparatorspannung festgelegt wird. Die Buck-Schalter sind für einen vollen Zyklus in Betrieb, bevor die Schaltung zur Boost-Seite wechselt. Sobald die Buck-Seite eine volle Periode abgeschlossen hat, schaltet die Boost-Seite um, wobei ihr Tastverhältnis ebenfalls durch die Komparatorspannung gesteuert wird. Damit werden die Dynamiken von Buck- und Boost-Betrieb zeitlich entkoppelt, sodass die Regelung nicht mehr gleichzeitig beide Randbedingungen erfüllen muss. Dies bedeutet auch, dass die Betriebsfrequenz effektiv halbiert wird, da jede Hälfte der H-Brücke erst umschaltet, nachdem die andere Seite ihren Zyklus beendet hat (Bild 4).

Der Vorteil dieser Regelungsstrategie liegt in der Entkopplung der Betriebsmodi. Ein wesentlicher Vorteil liegt im Wirkungsgrad: Da sich die Schaltfrequenz im Buck-Boost-Bereich halbiert, treten weniger Schaltverluste auf. Ein ähnlicher Vorteil ergibt sich bei elektromagnetischen Störungen (Electromagnetic Interference, EMI). Auch wenn die Schaltfrequenz halbiert wird, ist sie stets konstant, was die EMI verbessert. Schließlich ermöglicht diese Methode eine bessere Reaktion auf Transienten. Dies liegt daran, dass das effektive Boost-Tastverhältnis niedriger ist, wenn die Ausgangsspannung etwas höher als die Eingangsspannung ist. Das bedeutet, dass die Right Half Plane Zero (RHPZ) in diesem Regelungsschema im Buck-Boost-Bereich bei höheren Frequenzen gehalten wird.

Um zu sehen, wie sich die Schaltung im Buck-Boost-Bereich regelt, betrachten wir den Fall, in dem die Eingangsspannung etwas höher ist als die Ausgangsspannung. Der Buck-Boost-Zyklus beginnt mit der Regelung der Buck-Seite durch Schließen der Schalter 1 und 3. Dadurch erhöht sich der Spulenstrom mit einer Steigung von (U_IN – U_OUT) / L1 und erreicht seinen Spitzenwert. Sobald die Buck-Einschaltzeit abgelaufen ist, öffnet der Regelkreis Schalter 1 und schließt Schalter 2. Während der Ausschaltzeit des Buck-Zyklus fällt der Spulenstrom mit einer Steigung von U_OUT / L1 auf seinen Kleinstwert ab, wodurch die Spitze-Spitze-Welligkeit der Spule definiert wird. Sobald eine vollständige Schaltperiode auf der Buck-Seite abgelaufen ist, schaltet die Logikschaltung auf die Boost-Seite um. Die Boost-Seite beginnt damit, Schalter 2 zu öffnen und die Schalter 1 und 3 geschlossen zu halten. Dies entspricht der Ausschaltphase des Boost-Betriebs. Der Spulenstrom steigt während dieser Zeit auf die gleiche Weise wie während der Buck-Einschaltzeit mit einer Stromsteigung von (U_IN – U_OUT) / L1 an. Sobald die Boost-Ausschaltzeit beendet ist, programmiert der Regelkreis die Buck-Einschaltzeit, indem er Schalter 3 öffnet und Schalter 4 schließt. Dadurch steigt der Spulenstrom wieder auf das Anfangsniveau der Buck-Einschaltzeit mit einer Steigung von U_IN / L1 an (Bild 5).

Betrachten wir als Nächstes den Fall, in dem U_IN etwas niedriger als U_OUT ist. Hier bleibt jede Schaltperiode gleich. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Fällen besteht darin, dass bei U_IN > U_OUT die Welligkeit des Spulenstroms durch die Buck-Ausschaltzeit bestimmt wird, während bei U_IN < U_OUT die Welligkeit des Spulenstroms nun durch die Boost-Einschaltzeit bestimmt wird. Die Welligkeit des Spulenstroms verdoppelt sich zudem im Buck-Boost-Bereich. Dies liegt daran, dass die Frequenz der Buck- und Boost-Seiten der H-Brücke halbiert wird. In Bild 6 lässt sich erkennen, dass der Spulenstrom erst nach Ablauf einer vollständigen Buck- und Boost-Periode eine volle Periode durchläuft.

Vorteil hinsichtlich des Wirkungsgrads: In der Buck-Boost-Schaltung sinkt der Gesamtwirkungsgrad der Leistungsstufe, sobald die Schaltung in den Buck-Boost-Bereich übergeht. Durch den Einsatz einer alternierenden Regelung lässt sich der Wirkungsgrad im Buck-Boost-Bereich verbessern. Dies ist auf den effektiven Frequenzabfall im Buck-Boost-Bereich zurückzuführen. Wenn beispielsweise im Buck-Betrieb bei 2,1 MHz gearbeitet wird, schalten sich die Schalter 1 und 2 jeweils einmal alle 476 ns ein und aus. Im Boost-Bereich gilt dasselbe für die Schalter 3 und 4. Im Buck-Boost-Bereich bleibt dies unverändert, nur dass die Schalter nun abwechselnd auf jeder Seite arbeiten. Das bedeutet, dass die Anzahl der Schaltvorgänge auch im Buck-Boost-Bereich gleich bleibt, was die Effizienz dieser Regelungsmethode verbessert.

Vorteil bei Transienten: Ist die Ausgangsspannung etwas größer als die Eingangsspannung, befindet sich die Schaltung im Buck-Boost-Bereich. Da sie stärker im Boost-Anteil arbeitet, beeinflusst das Boost-RHPZ die Regelung stärker. Dieser Effekt fällt bei alternierender Buck-Boost-Regelung geringer aus, da sich das effektive Boost-Tastverhältnis reduziert und das RHPZ zu höheren Frequenzen verschoben wird.

Transientenoptimierung des Wandlers

Bei der Kompensation eines Buck-Boost-ICs muss die Auswahl der Übergangsfrequenz den ungünstigsten Lastfall, die Eingangsspannung, den Wert des Ausgangskondensators und den Wert der Spule berücksichtigen. Da der Buck-Boost-IC im Boost-Bereich arbeiten kann, bedeutet dies, dass der ungünstigste U_IN-Wert wahrscheinlich auch dazu führt, dass die Schaltung im reinen Boost-Modus arbeitet. Bei diesem Betrieb stößt die Schaltung auf eine zusätzliche Begrenzung in Form des RHPZ. Da der RHPZ eine Funktion der Zeitverzögerung zwischen dem Laden der Spule und der Energieabgabe an den Ausgang ist, muss die Schleife so kompensiert werden, dass 1/3 bis 1/5 dieser Frequenz berücksichtigt wird. Aus diesem Grund wird die Reaktion auf Transienten der Buck-Boost-Schaltung eingeschränkt, selbst wenn im Buck-Bereich, in dem kein RHPZ vorhanden ist, mehr Bandbreite zur Verfügung steht.

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Typischerweise wird zur Kompensation des Regelkreises ein Kompensationsnetzwerk aus Widerstand und Kondensator verwendet, das die richtige Phase und Verstärkung liefert und aus Rcomp1 und Ccomp besteht.

Um das Transientenverhalten sowohl im Boost- als auch im Buck-Bereich zu optimieren, wird das RC-Kompensationsnetzwerk um einen schaltbar eingebundenen zweiten Kompensationswiderstand, Rcomp2, erweitert. Damit entsteht eine zustandsabhängige Kompensation des Regelkreises, die im Boost-Betrieb Stabilität und im Buck-Betrieb höhere Bandbreiten ermöglicht.

Außerdem wird ein Schalter über Rcomp2 eingesetzt, um diesen je nach Betriebsbereich in das Kompensationsnetzwerk einzubinden oder daraus zu entfernen. Wenn die Schaltung im Buck-Modus arbeitet, schließt der Schalter Rcomp2 kurz und senkt so die Übergangsfrequenz. Wenn die Schaltung in den Buck-Boost- oder Buck-Bereich übergeht, öffnet sich der Schalter, und Rcomp2 trägt dazu bei, die Verstärkung und Phase weiter zu erhöhen. Dies hat zur Folge, dass die Übergangsfrequenz steigt. Durch diese Funktionsweise verfügt die Schaltung über eine ausreichend niedrige Übergangsfrequenz für den Buck-Bereich und gleichzeitig über eine ausreichend hohe Übergangsfrequenz für den Boost-Bereich (siehe Bild 7).

Regelkreis (Durchschnittsstrom-Regelung)

Es gibt viele Möglichkeiten, den Regelkreis für die Buck-Boost-Schaltung zu implementieren. Von besonderem Interesse ist die Durchschnittsstrom-Regelung, die im Gegensatz zu anderen Regelungsmethoden mehrere Vorteile bietet.

Rauschunempfindlichkeit: Bei der durchschnittlichen Strommodus-Regelung wird der Spulenstrom erfasst und mit dem Kompensationspegel verglichen. Der ermittelte Wert wird dann in einen Fehlerverstärker der inneren Regelschleife eingespeist, der ein RC-Kompensationsnetzwerk enthält. Dieser Integrator sorgt für eine hohe Verstärkung in der inneren Regelschleife. Die kompensierte innere Regelschleife wird dann mit einem Sägezahn verglichen, um das Tastverhältnis zu erzeugen. Dies sorgt für eine höhere Rauschunempfindlichkeit, da etwaige Stromspitzen an der Spule herausgefiltert werden, weil die Schleife den Durchschnittsstrom regelt. Betrachten wir den Fall einer Spitzen- oder Kleinststrommodus-Regelung, bei der der erfasste Spulenstrom im Verhältnis zum Spitzen- oder Kleinstwert gering ist. Dies führt zu einer geringeren Rauschunempfindlichkeit, da etwaige Stromspitzen im gemessenen Strom ohne Leading-Edge Blanking oder Filterung des gemessenen Stroms zu einer fehlerhaften Abtastung führen können. Selbst bei vorhandener Filterung kann die Steigungskompensation bei niedrigen Lastströmen im Verhältnis zum erfassten Signal groß werden, was eine höhere Abweichung in der Regelung zur Folge hat.

Minimale Ein- und Ausschaltzeiten: Die Durchschnittsstrom-Regelung verwendet einen Integrator für den inneren Stromregelkreis, wobei ein Sägezahn an einen Komparator geleitet wird, um das Tastverhältnis zu erzeugen. Daher können die minimalen Ein- und Ausschaltzeiten viel kürzer sein als im Spitzen- oder Kleinststrommodus, die aufgrund von Schaltungen wie Leading-Edge Blanking längere minimale Ein- und Ausschaltzeiten aufweisen.

Keine Steigungskompensation: Die Durchschnittsstrom-Regelung erfordert keine Steigungskompensation. Dies vereinfacht die maximale Strombegrenzung, da sie nicht mehr von der zusätzlichen Steigung abhängt. Das bedeutet auch, dass der Durchschnittsstrom-Modus im diskontinuierlichen Leitungsmodus (Discontinuous Conduction Mode, DCM) eine bessere Leistung aufweist als der Spitzenstrommodus, bei dem die Steigungskompensation einen großen Teil des erfassten Signals ausmachen kann.

Parallelbetrieb: Wenn mehrere Wandler parallel betrieben werden sollen, bietet die Durchschnittsstrom-Regelung die beste Stromverteilung. Das liegt daran, dass die äußere Regelschleife den Durchschnittsstrom jedes Wandlers programmiert, während im Spitzen- oder Kleinststrommodus aufgrund der leicht unterschiedlichen Spulen der einzelnen Wandler ein gewisser Stromversatz auftritt.

Entwurfsbeispiel

Das Ziel besteht darin, eine Schaltung mit einem U_IN-Bereich von 6 V bis 18 V, einem U_OUT von 13 V und einer Last von 2,5 A zu entwerfen, den Wert des Ausgangskondensators zu minimieren und eine U_OUT-Spannungsschwankung von ±5 % zu erreichen. Um den Wert des Ausgangskondensators zu minimieren, wählen Sie zunächst eine Schaltfrequenz von 2,1 MHz.

Bei 2,1 MHz wird typischerweise ein Spulenwert von 1 µH verwendet. Die U_OUT-Grenzwerte lassen eine Transiente von 650 mV zu.

Um den erforderlichen Wert des Ausgangskondensators abzuschätzen, betrachten Sie zunächst den U_IN-Wert im ungünstigsten Fall, der die Schaltung in den Boost-Bereich bringt. Im Boost-Bereich kann der RHPZ anhand von Gleichung 1 berechnet werden.

Durch Auflösen nach RHPZ und Division durch 5 wird die Übergangsfrequenz im Boost-Bereich auf 35 kHz festgelegt. Gleichung 2 kann zur Abschätzung des Werts des Ausgangskondensators verwendet werden.

Durch Lösen dieser Gleichung wird der Wert des Ausgangskondensators auf 17,5 µF geschätzt. Runden Sie diesen Wert auf 22 µF auf. Mit den ausgewählten Bauteilen kann nun comp entworfen werden, beginnend im Boost-Bereich, um eine Übergangsfrequenz von 35 kHz zu erreichen. Sobald Rcomp und Ccomp ausgewählt sind, muss die Schaltung nun für den Buck-Bereich bei U_IN = 18 V kompensiert werden. Da kein RHPZ vorhanden ist, wählen Sie die Übergangsfrequenz 100 kHz. Rcomp2 kann dann angepasst werden, um diese Übergangsfrequenz zu erreichen. Nachdem alles eingerichtet ist, wird die Reaktion auf Transienten in jedem Fall überprüft. Im Buck-Boost-Bereich wird diese durch das Hinzufügen von Rcomp2 reduziert.

Fazit

Die alternierende Buck-Boost-Regelung stellt einen wirkungsvollen Ansatz dar, um den grundlegenden Zielkonflikt zwischen hoher Bandbreite im Buck-Betrieb und den durch das Right-Half-Plane-Zero (RHPZ) begrenzten Dynamikeigenschaften im Boost-Betrieb zu adressieren. Durch die zeitliche Entkopplung der Betriebsmodi wird die Regelung nicht mehr gezwungen, gleichzeitig widersprüchliche Anforderungen zu erfüllen.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit, die Kompensation des Regelkreises an den jeweiligen Betriebszustand anzupassen. Durch die schaltbare Erweiterung des Kompensationsnetzwerks entsteht eine zustandsabhängige Regelkreischarakteristik, die im Boost-Betrieb Stabilität gewährleistet und im Buck-Betrieb höhere Bandbreiten ermöglicht.

Zur Optimierung der Buck-Boost-Schaltung kann die alternierende Buck-Boost-Regelung genutzt werden, da sie gegenüber Standardregelungsverfahren zahlreiche Vorteile bietet, darunter eine verbesserte Reaktion auf Transienten, einen höheren Wirkungsgrad, eine vereinfachte Auslegung und eine verbesserte EMI.

Das Einschwingverhalten der Buck-Boost-Schaltung lässt sich durch Hinzufügen von Rcomp2 weiter optimieren, um die Bandbreite des Regelkreises zu verbessern. (mr)

* Mark Derhake ist Applications Engineer bei Analog Devices.

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