Tipps und Hilfestellungen zur Reglerstabilität Qualifizierung von Schaltnetzteilen Teil 7: Die Reglerstabilität

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Eine ausführliche Qualifizierung von Schaltnetzteilen ist unbedingt anzuraten. Diese Beitragsserie gibt Tipps und Hilfestellungen zur Qualifizierung von selbst entwickelten Schaltnetzteilen auf elektronischen Baugruppen. In diesem abschließenden Teil der Reihe geht es um die Qualifizierung der Reglerstabilität.

In den ersten sechs Teilen dieser Reihe haben wir uns mit den Grundlagen des Designs, des Layouts und der Simulation, den einzelnen Schritten einer typischen Messung, der Qualifizierung von Phänomenen wie Spannungsverhalten, Temperatur und Ripple sowie der Verhinderung des Switch Node Ringing beschäftigt. In diesem siebten und abschließenden Teil der Reihe geht es um die Qualifizierung der Regler-Stabilität.

Qualifizierung der Reglerstabilität

Im Rahmen dieser Messreihe wird die Stabilität des Schaltnetzteils untersucht. Dabei soll erreicht werden, dass dessen Regelung so parametriert ist, dass die Ausgangsspannung unter allen Lastszenarien innerhalb der Testmaske (Pass/Fail-Kriterien) bleibt.

Bildergalerie

Lastsprünge

Zunächst ist die Frage zu klären, wie sich der Schaltwandler bei schlagartigem Zu- und Abschalten einer „idealen“ ohm’schen Last verhält und wie bei schlagartigem Zu- und Abschalten einer realen Last (z. B. durch FPGAs oder Prozessoren mittels „Dummy-Load“). Ziel ist es, herauszufinden, ob die Grenzwerte für Über- bzw. Unterspannung eingehalten werden. Bleibt der Regler stabil oder kommt es zu einer unkontrollierten Oszillation?

In Bild 1 ist die Messung eines Lastsprungs von 0 A auf 6 A und dann wieder zurück auf 0 A dargestellt. Man erkennt, dass der Regler einen AC-Hub auf der Ausgangsschiene von 12 mV bzw. –26 mV hat. Dieser befindet sich innerhalb der zuvor definierten Testmaske, darum wurde in diesem Fall der Test als „Pass“ – also bestanden – vermerkt.

Bode-Messung

Der Bode-Messung liegt die Idee zugrunde, dass mittels eines Signalgenerators eine Störspannung in die Regelschleife des Reglers injiziert wird. Bild 2 zeigt den schematischen Messaufbau für die Bode-Messung. Da Regler, Oszilloskop und Generator denselben Massebezug haben, muss die Störspannung mithilfe eines Trenntrafos in die Regelschleife injiziert werden. Der Generator wird über der Frequenz gesweept. Das Oszilloskop erzeugt einen Bode-Plot. Dabei wird die Verstärkung des Regelkreises gemessen, es soll also

geplottet werden.

In Bild 3 zu sehen ist die Amplitudenreserve, d. h. der Abstand zwischen dem Betragsgang und der 0-dB-Linie bei einem Phasengang von –180°; je größer dieser ist, desto stabiler ist das System.

Die Phasenreserve bildet sich aus dem Abstand zwischen der –180°-Linie und dem Phasengang bei einem Betragsgang von 0 dB; auch hier gilt: je größer dieser ist, umso stabiler ist das System. Wichtig ist, die Vorzeichen zu beachten. Es gilt Phasenreserve = 180° – φ. Das System ist stabil für eine Phasenreserve größer Null. Ist die Phasenreserve gleich Null, so ist das System metastabil oder instabil für eine Phasenreserve kleiner Null. Typischerweise ist eine Phasenreserve von +45° anzustreben.

Die Übergangsfrequenz f_0dB ist die Frequenz, bei der der Betragsgang bei 0 dB ist; je höher sie ist, desto schneller ist das Reglerverhalten (schnelleres Regelverhalten wird typischerweise durch kleineres Über- und Unterschwingen bei Lastsprüngen sichtbar).

Die Bode-Messung ist bei verschiedenen Lastzuständen durchzuführen. Auf diese Weise ist die Bestimmung der max. und min. Amplitudenreserve und Phasenreserve für alle Lastzustände des Reglers charakterisierbar.

Dies war der letzte Teil unserer Reihe. Wir hoffen, wir konnten Ihnen wertvolle Tipps für die Qualifizierung von DC/DC-Wandlern an die Hand geben. Es zeigt sich immer wieder: Eine umfassende Qualifizierung ist vital für die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Die Heitec-Experten sind jederzeit für Sie da, wenn Sie Unterstützung benötigen. (tk)

Switch Node Ringing

Qualifizierung von Schaltnetzteilen: Teil 6

Qualifizierung des Ripples eines DC/DC-Wandlers

Qualifizierung von Schaltnetzteilen: Teil 5

Qualifizierung der Strom- & Temperaturbelastung eines DC/DC-Wandlers

Qualifizierung von Schaltnetzteilen: Teil 4

Transientes Spannungsverhalten eines DC/DC-Wandlers

Qualifizierung von Schaltnetzteilen: Teil 3

Qualifizierende Messungen

Serie: Qualifizierung von Schaltnetzteilen, Teil 2

Design, Layout und Simulation

Serie: Qualifizierung von Schaltnetzteilen, Teil 1

* Konstantin Vilyuk, Hardware-Entwicklung, Geschäftsgebiet Elektronik, bei der Heitec AG, Stefan Lange ist Teamleiter Systems Engineering, Geschäftsgebiet Elektronik, bei der Heitec AG.

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