EP-Basics: DC/DC-Wandler Weniger Spannungswelligkeit dank zweiter Filterstufe

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Eine nachgeschaltete zweite Filterstufe bietet sich als unkomplizierte, platzsparende, effiziente und kostengünstige Lösung an, wenn bei hohen Lastströmen eine geringe Ausgangsspannungs-Welligkeit verlangt wird – etwa zum Versorgen eines Prozessors oder Systems-on-a-Chip.

Fortschrittliche Prozessoren und SoCs mit integrierten seriellen Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsfunktionen oder einem Analog Front End (AFE) benötigen eine Stromversorgung mit geringer Ausgangsspannungs-Welligkeit, um die Signalintegrität zu wahren und die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Von der PoL-Stromversorgung (Point of Load) eines Prozessors wird unter Umständen eine Ausgangsspannungs-Welligkeit von weniger als 2 mV verlangt, was ungefähr einem Zehntel der Welligkeit eines typischen Designs entspricht und für den verwendeten synchronen Abwärtswandler eine schwierig zu erfüllende Designvorgabe darstellt. Da der vom Prozessor geforderte Ausgangsstrom die Fähigkeiten eines linearen Nachreglers übersteigt, bleibt kein anderer Weg, als eine zweite Filterstufe vorzusehen, die Schaltfrequenz anzuheben und die Ausgangskapazität zu vergrößern.

Auswahl und Eingrenzung der Applikation

Es gibt synchrone Abwärtswandler mit einer Reihe verschiedener Regelungsarchitekturen, bei denen jeweils ganz bestimmte Methoden eingesetzt werden, um die Stabilität sicherzustellen, wenn beim Design eine niedrige Spannungswelligkeit im Vordergrund steht.

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Dieser Beitrag untersucht, wie mit drei verschiedenen Abwärtswandler-Architekturen eine Ausgangsspannungs-Welligkeit von 1 mV erzielt werden kann. Dabei wurden identische Betriebsbedingungen zugrunde gelegt, nämlich eine Eingangsspannung von 12 V, eine Ausgangsspannung von 1 V und ein Ausgangsstrom von 15 A – typische Rahmenbedingungen also bei der Versorgung eines leistungsfähigen SoC, dessen empfindliche analogen Schaltungen nach geringer Spannungswelligkeit verlangen.

Um das Filterdesign und die Performance-Erwartungen einzugrenzen, wurde eine zulässige Spannungswelligkeit von ±0,15 Prozent, in diesem Fall also ±0,15 mV bzw. 3 mV_pp angesetzt. Die Vergleichsstudie beruht auf drei Gleichspannungswandlern von Texas Instruments nämlich dem nach dem D-CAP3-Verfahren arbeitenden TPS548A28 mit 15 A Laststrom, dem 20 A Abwärtswandler TPS543B22 mit interner Kompensation und ACM (Advanced Current Mode) sowie dem auf Spannungsregelung basierenden 15 A Abwärtswandler TPS56121. Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und Schaltfrequenz wurden innerhalb der Möglichkeiten der einzelnen Bausteine möglichst übereinstimmend gewählt, damit ähnliche Bauelemente für die zweite Filterstufe verwendet werden konnten.

Design der zweiten Filterstufe

Auch wenn keramische Ausgangskondensatoren mit niedrigem ESR-Wert zum Einsatz kommen, ist es nicht praktikabel, die geringe Ausgangsspannungs-Welligkeit mithilfe des LC-Ausgangsfilters des Wandlers erzielen zu wollen. Für eine Welligkeit unter 5 mV dürfte es kaum ohne eine zweite LC-Filterstufe gehen. Der Induktivitätswert für die zweite Filterstufe lässt sich mit der unten stehenden Gleichung ermitteln und nach L₂ (der Induktivität der zweiten Filterstufe) auflösen. C₁ ist die Ausgangskapazität des Abwärtswandlers, während C₂ für das Kondensatornetzwerk der zweiten Stufe steht. Für alle drei Designs wurde die gleiche zweite Filterstufe (Tabelle 1) verwendet, die eine Leiterplattenfläche von 92 mm² einnimmt (Bild 1).

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Ist der Induktivitätswert der zweiten Filterstufe festgelegt und die Schaltung zusammengebaut, muss im nächsten Schritt die Regelschleife des DC/DC-Wandlers unter Berücksichtigung der Induktivität und Kapazität der zweiten Filterstufe neu kompensiert werden. Hierfür sind bei den drei verglichenen Regelarchitekturen jeweils eigene Vorgehensweisen erforderlich.

Die Voltage-Mode-Architektur

Die Pulsweitenmodulation (PWM) mit Spannungsregelung basiert darauf, dass ein von der Ausgangsspannung abgeleitetes Fehlersignal und die Referenzspannung mit einer sägezahnförmigen Spannung verglichen werden. Der TPS56121 bedient sich einer externen Kompensation des Typs 3 für eine Double-Pole-Leistungsstufe, damit der Wandler nach Hinzufügen einer zweiten Filterstufe neu kompensiert werden kann. Durch Anpassen der externen Widerstands- und Kapazitätswerte lässt sich die Stabilität sicherstellen. Ohne zusätzliche Filterstufe beträgt die Peak-to-Peak-Welligkeit der Ausgangsspannung 4,8 mV, während es mit der zweiten Filterstufe nur noch 1,9 mV sind (Bild 2). Im vorliegenden Fall musste die Kompensation nicht angepasst werden. Bild 3 gibt das Lastsprungverhalten bei einer stufenförmigen Änderung des Laststroms um 10 A wieder. Wie man sieht, sind keine Anzeichen für Instabilität erkennbar.

Die D-CAP3-Regelung

Die D-CAP3-Regelung verwendet einen One-Shot-Timer zur Erzeugung eines Einschaltzeit-Impulses, der proportional zur Eingangs- und Ausgangsspannung ist. Immer wenn die zurückgehende Rückkoppelspannung das Niveau der Referenzspannung erreicht, wird ein neuer PWM-Impuls erzeugt, wobei die Rampe von der Ausgangsinduktivität emuliert wird. Ein Signal aus einer internen Ripple-Injection-Schaltung wird (bei eliminierter Offsetspannung) direkt in den Komparator eingespeist. Ein Vorteil des D-CAP3-Verfahrens und anderer Wandler mit konstanter Einschaltzeit ist, dass keine zusätzlichen Schaltungen zur Regelschleifen-Kompensation benötigt werden. Die Regelschleife kann jedoch durch ein variables Rampensignal eingestellt werden, wenn der betreffende Baustein dieses Feature unterstützt, und am Widerstandsteiler für die Ausgangsspannungs-Rückkopplung lässt sich eine zusätzliche Feed-Forward-Kapazität hinzufügen. Ohne zusätzliche Filterstufe hat die Peak-to-Peak-Welligkeit der Ausgangsspannung des TPS548A28 einen Wert von 7,6 mV. Mit der zweiten Filterstufe sind es dagegen 2,3 mV (Bild 4). Auch das TPS548A28-Design erfordert keine stabilisierenden Anpassungen. Bild 5 zeigt das Lastsprungverhalten dieser Schaltung mit der gleichen Laststromänderung von 10 A. Instabilitäten sind auch hier nicht feststellbar.

Die ACM-Regelung

Die intern kompensierte ACM-Regelung (Advanced Current Mode) ist eine welligkeitsbasierte Spitzenstromregelung, bei der ein intern erzeugtes Rampensignal den Spulenstrom nachbildet. Diese Methode bietet einen Kompromiss zwischen dem schnelleren Ansprechverhalten nichtlinearer Verfahren (z. B. D-CAP3) und der breiteren Kondensator-Stabilität anderer extern kompensierter Festfrequenz-Regelungsarchitekturen wie der Spannungsregelung. Bei der neueren ACM-Architektur reicht ein einziger Widerstand zum Kompensieren der Regelschleife aus, während sonst ein RC-Netzwerk notwendig ist. Der TPS543B22 bietet die Wahl unter drei PWM-Rampen zum Optimieren der Regelungs-Performance im Verbund mit einer zweiten Filterstufe. Das Evaluation Board zu diesem Baustein verfügt übrigens über Lötflächen zum Einbau der notwendigen Bauteile für eine zweite Filterstufe. Die Peak-to-Peak-Welligkeit des TPS543B22, die ohne zusätzliche Filtermaßnahmen 7,4 mV beträgt, geht mit einer zweiten Filterstufe auf 1,3 mV zurück (Bild 6). Stabilisierungsmaßnahmen waren auch hier nicht erforderlich, denn das in Bild 7 dargestellte Lastsprungverhalten lässt keinerlei Anzeichen für Instabilität erkennen.

Kaum negative Einflüsse auf den Wirkungsgrad

Der Volllast-Wirkungsgrad der drei Gleichspannungswandler wurde mit und ohne zweite Filterstufe gemessen (Ergebnisse in Tabelle 2). Wie man sieht, wird die Effizienz nur in einem vernachlässigbaren Ausmaß durch die zweite Filterstufe beeinträchtigt. Die Messungen wurden vorgenommen, da in den einzelnen Varianten unterschiedliche MOSFETs zum Einsatz kommen. Ob die Effizienzeinbuße und der 92 mm² betragende Mehraufwand an Leiterplattenfläche angesichts der erzielten Reduzierung der Spannungswelligkeit gerechtfertigt sind, muss im Einzelfall entschieden werden.

Bisher war es üblich, die Welligkeit mithilfe eines nachgeschalteten LDO-Reglers zu reduzieren. Sollte diese Vorgehensweise bevorzugt werden, bietet sich der für 4 A Laststrom ausgelegte TPS7A54 an, der sich parallelschalten lässt und damit für bis zu 8 A geeignet ist. Dabei ist jedoch zu beachten, dass zwei LDOs bei 8 A eine Verlustleistung von 1,4 W ergeben (basierend auf einem Spannungsabfall von 175 mV), während eine zweite Filterstufe nur einen Verlust von 0,02 W erzeugt. Mit ihrer Spannungswelligkeit von 4 µV ist die LDO-Lösung natürlich klar im Vorteil, aber wenn die mit einer zweiten Filterstufe erzielbare Ausgangsspannungs-Welligkeit hinreichend gering ist, kann man sich den geringeren Platzbedarf, die niedrigeren Verluste und die günstigeren Bauteilkosten dieser Lösung zunutze machen.

Fazit

Eine nachgeschaltete zweite Filterstufe bietet sich als unkomplizierte, platzsparende, effiziente und kostengünstige Lösung an, wenn bei hohen Lastströmen eine geringe Ausgangsspannungs-Welligkeit verlangt wird. Zwar ist keine der beschriebenen Regelungsmethoden für alle denkbaren Designsituationen ideal, aber viele Abwärtswandler-Architekturen sind dafür geeignet, eine zweite Filterstufe hinzuzufügen. Enthält das vorliegende Design ein Netzwerkinterface-SoC oder eine abgesetzte Funkeinheit mit einem AFE, sorgt eine zweite Filterstufe für eine deutlich niedrigere Welligkeit als ein herkömmlicher Abwärtswandler. Welligkeit, Verlustzunahme und Flächenbedarf der Lösungen mit den drei beschriebenen Bauelementen sind in Tabelle 3 noch einmal zusammengefasst. (tk)

Literaturnachweise:

[1] Texas Instruments: Power Tips: Designing a two-stage LC filter.

[2] Texas Instruments: Reducing noise on the output of a switching regulator.

[3] Texas Instruments: Control-Mode Quick Reference Guide - Step-Down Non-Isolated DC/DC.

* Rich Nowakowski ist Product Marketing Engineer bei Texas Instruments,

* Sarmad Abedin ist Power Design Services Engineer bei Texas Instruments.

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