Power-Tipp Regelschleife mit dem Bode-Diagramm darstellen

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Mit dem Bode-Diagramm kann die Geschwindigkeit der Regelschleife angezeigt und mit anderen Spannungsversorgungen verglichen werden, ebenso die Stabilität inklusive der vorhandenen Reserve. Beide Informationen können bei einem einfachen Lasttransiententest nicht direkt abgelesen werden.

Spannungsversorgungen sollen eine stabil geregelte Ausgangsspannung erzeugen. Um diese zu bewerten, kann man die Ausgangsspannung bei unterschiedlichen Lastströmen und bei unterschiedlichen Eingangsspannungen messen. So lässt sich beurteilen, ob die erzeugte Ausgangsspannung innerhalb des gewünschten Toleranzbereichs liegt.

Eine solche grundlegende Überprüfung einer Spannungsversorgung ist wichtig, zeigt jedoch nur einen Teil der Wahrheit. Wenn sich der Laststrom oder die Versorgungsspannung im Betrieb ändert, soll die erzeugte Spannung so gut wie möglich gehalten werden. Bild 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Spannungsversorgung mit Lasttransiente und Eingangsspannungsveränderung.

Für eine dynamische Evaluierung der Spannungsversorgung kann die erzeugte Ausgangsspannung bei unterschiedlichen Lasttransienten und unterschiedlichen Eingangsspannungsveränderungen überprüft werden. Typischerweise ergeben sich Verläufe der Ausgangsspannung wie in Bild 2 dargestellt.

Der Laststrom am Ausgang der Spannungsversorgung wird von einer Stromstärke von 1 auf 7 A, innerhalb einer Übergangszeit von 500 ns abgeändert. In Rot ist die Lasttransiente zu sehen. In Blau ist der Spannungsverlauf dargestellt. Man kann erkennen, dass die erzeugte Ausgangsspannung bei einer positiven Lasttransiente zum Zeitpunkt Null um 33,2 mV absinkt.

Die Regelschleife der Spannungsversorgung schafft es dann nach ca. 10 µs, die Ausgangsspannung wieder zu stabilisieren. Zum Zeitpunkt 100 µs wird in Bild 2 ein Lastübergang von einem Laststrom von 7 zurück auf 1 A getätigt. Die Ausgangsspannung zeigt einen kurzen Überschwinger auf einen Wert, welcher ca. 31,4 mV oberhalb der nominalen Ausgangsspannung liegt.

Evaluierung der Regelschleife mit Lasttransientenmessung

Eine solche Evaluierung der Regelschleife einer Spannungsversorgung ist sinnvoll und bietet viele Informationen zum Regelverhalten. Jedoch sind solche Lasttransientenmessungen oft nicht ausreichend. Beispielsweise bekommt man keine klare Aussage dazu, ob das Verhalten des Ausgangsspannungsverlaufes hauptsächlich durch die Größe der Ausgangskapazität oder aber durch die Geschwindigkeit der Regelschleifenübertragungsfunktion bestimmt ist. Man kann eine langsame Regelschleife teilweise durch zusätzliche Ausgangskondensatoren ausgleichen.

Auch bietet ein Lasttransiententest keine klaren Informationen zur Stabilität der Regelschleife. Eine Messung wie in Bild 2 dargestellt kann von einer Regelschleife stammen, welche nur ’gerade so‘ stabil ist und bei einer leichten Parameterveränderung, wie durch den Toleranzbereich von Bauteilen, Temperatureffekten und leicht veränderten Einsatzbedingungen in die Instabilität rutscht. Dann würde die erzeugte Ausgangsspannung nicht mehr auf einem festen Wert gehalten werden, sondern würde mit einer großen Amplitude oszillieren.

Der Spannungsverlauf in Bild 2 kann aber auch von einer Spannungsversorgung stammen, welche eine hohe Stabilitätsmarge bietet. Hier würden leichte Veränderungen der Schaltung, wie im vorigen Fall beschrieben, nicht zu einer Oszillation führen.

Evaluierung der Regelschleife im Bode-Diagramm

Bild 3 zeigt ein gemessenes Bode Diagramm der Spannungsversorgung aus Bild 1. Hier kann man die Geschwindigkeit der Regelschleife daraus erkennen, an welchem Punkt die Verstärkung, rote Kurve, die 0-dB-Linie kreuzt. Je höher diese Durchgangsfrequenz liegt, desto höher ist die Geschwindigkeit der Regelschleife. Üblicherweise wird eine 0-dB-Durchgangsfrequenz zwischen einem Zehntel bis zu einem Fünftel der Schaltfrequenz angestrebt.

In Bild 3 erkennt man eine Durchgangsfrequenz von ca. 100 kHz. Neben dieser 0-dB-Durchgangsfrequenz hat auch die DC-Verstärkung, also die Verstärkung bei niedrigen Frequenzen, einen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Regelschleife. Je höher diese Verstärkung liegt, desto schneller zeigt sich die Regelschleife.

Weiterhin bietet ein Bode-Diagram Informationen zur Stabilitätsmarge einer Spannungsversorgung. Bei der Frequenz des 0-dB-Durchgangs kann der Phasenversatz, auch Phasenreserve genannt, von der blauen Kurve abgelesen werden. In obigem Beispiel liegt diese Phasenreserve bei ca. 59 Grad. Systeme mit einer Phasenreserve größer als 45 Grad werden als sicher stabil eingestuft. (kr)

* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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