Fortschritte bei der digital geregelten Leistungswandlung

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Multirate-Reglung ermöglicht eine stabile Stromversorgung und reagiert sofort auf plötzliche Spannungsänderungen. Damit steht eine angemessene Reaktion innerhalb eines PWM-Schaltzyklus zur Verfügung. Die einzige Möglichkeit, dies mit herkömmlichen Architekturen zu erreichen, erfordert frequenzvariable Schalttechniken, die eine höherfrequente Abtastung/Steuerung verwenden, sobald sich die Spannung schnell ändert. In vielen Systemen ist dies allerdings kein sinnvoller Ansatz.

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Moderne Telekommunikationssysteme und andere Anwendungen mit strengen EMV-Vorgaben verlangen einen Betrieb mit fester Frequenz, damit eine genaue Regelung des Rauschspektrums möglich ist. Ein weiterer Ansatz ist, für eine entsprechende Verstärkung zu sorgen, die linear zur Abweichung durch die Fehlerspannung ist. Eine proportionale Verstärkung ermöglicht beim Schalten mit fester Frequenz eine Antwort innerhalb eines Zyklus – aber eine Schnellantwort-Schleifenverstärkung führt zu Instabilität.

Neuer Wandler mischt Uniform- und Multirate-Abtastung

Intersils ChargeMode-Technologie im 2-Kanal-/2-Phasen DC/DC-Controller ZL8800 verwendet eine Mischung aus Uniform- und Multirate-Abtastung. Dabei wird der Fehler abgetastet und das Modulationssignal mehrere Male während einer Schaltperiode berechnet. Damit verringert sich die Gruppenlaufzeit, was einen Betrieb mit hoher Bandbreite unterstützt. Die Phasenverzögerung verringert sich aufgrund der kürzeren Gruppenlaufzeit. Der ZL8800 nutzt auch einen Doppelflanken-Modulator (Dual Edge), der andere Modulatoren (Leading Edge) hinsichtlich der Gesamtverzögerung übertrifft.

Bild 1 zeigt die Dual-Sampling-Technik des ZL8800. Die Gesamtverzögerung (tdelay) ist die Summe der A/D-Wandler-Verzögerung und der Rechenverzögerung (einschließlich Pipeline-/Filter-Verzögerungen) bei jeder Abtastrate. Mit dem höherfrequenten Nxfsw-Takt in Bild 1 ermöglicht der ZL8800 eine geringere tdelay im Vergleich zu einem herkömmlichen, uniform abgetasteten PWM-Modulator.

Der ChargeMode-Controller vermeidet Instabilität

Mit einem Fehlersignal einer hochfrequenten Abtastung verwendet der ChargeMode-Controller eine neue Strategie, um Instabilität zu vermeiden – nur mithilfe einer hohen Schleifenverstärkung. Dafür wird der Effekt einer Spannungsänderung auf einen oder wenige Zyklen lokalisiert. Wenn sich dieser Arbeitszykluseffekt auf die nächsten Zyklen ausbreitet, kann dies zu Instabilität führen. Eine digitale Regelung stellt sicher, dass das, was mit dem Arbeitszyklus passiert, um in einem Schaltzyklus auf eine plötzliche Spannungsänderung zu reagieren, im nächsten Schaltzyklus oder in den nächsten Zyklen rückgängig gemacht wird. Diese Technik wird als digitale ASCR-Kompensation (A Single-Cycle Response) bezeichnet.

Das Kompensator-Blockdiagramm (Bild 2) weist Ähnlichkeit mit einem herkömmlichen digitalen PID-Regler (Proportional-Integral-Derivative) für die PWM-Ansteuerung auf. Aber es hat erhebliche Unterschiede. Es zeigt, wie die Multirate-Abtasttechnik in den Kompensator integriert ist. Dieser verfügt über zwei parallele Pfade zur Verarbeitung der quantisierten Fehlerspannung: einen „schnellen Pfad“, der die Fehlerspannung häufiger abtastet als der „langsame Pfad“. Mit dieser neuen Struktur wird der Arbeitszyklusbefehl zurückgeführt, um die Auswirkung des schnellen Pfades zu bestimmen und um die Auswirkung dieses Effekts in den folgenden Zyklen aufzuheben.

Kompensator ermöglicht Designs mit hoher Bandbreite

Der Kompensator im ZL8800 bietet eine verringerte Verzögerung zwischen der Fehlerabtastung und der Arbeitszyklus-Entscheidung.

Dies führt zu einer Phasenanhebung bei hohen Frequenzen, was für Stabilität sorgt und Designs mit hoher Bandbreite ermöglicht (Bild 3). Durch Multirate-Abtastung und Regelung sorgt der ASCR-Kompensator für einen inhärenten stabilen Regelkreis, der nur für die Bandbreitenspezifikation abgestimmt werden muss. Unter den vielen Ausgangsfilterkonfigurationen muss nur die ASCR-Verstärkung geändert werden, um die gewünschte Bandbreite des Regelkreises zu erhalten. Um eine höhere Leistungsfähigkeit zu erzielen, gibt es einen zweiten Parameter, der vom Anwender eingestellt werden kann: der Restwert. Dies ist ein Dämpfungsfaktor, der die Ansprechrate des Regelkreises justiert.

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