Power-Tipp Regelschleifensimulation auf die einfache Art

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Beim Entwurf einer Spannungswandler-Schaltung ist die Regelschleife kritisch. In diesem Power-Tipp zeige ich, wie Sie die Regelschleife mit dem Bode-Diagramm in LTSpice einfach simulieren können.

Eine ungeschickt eingestellte Regelschleife kann dazu führen, dass der Spannungswandler anfängt zu schwingen, also instabil arbeitet. Das Oszillieren führt zu einer überhöhten Spannungswelligkeit am Ausgang und verschlechtert die EMV. Eine ungünstig eingestellte Regelschleife kann auch dazu führen, dass der Spannungswandler nur sehr langsam auf Lasttransienten und Änderungen der Versorgungsspannung reagiert.

Die Regelschleife lässt sich recht einfach mit einem Bode-Diagramm überprüfen. Dieses können Sie mit einem Simulationswerkzeug wie LTSpice (ab Version 17.1) sehr einfach und recht schnell erzeugen. Im Folgenden zeige ich die drei Schritte der Bode-Diagramm-Simulation.

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Bode-Diagramm in LTSpice in drei Schritten

Im ersten Schritt öffnen Sie die Spannungswandler-Schaltung, also beispielsweise einen Schaltregler, mit LTSpice. Bild 1 zeigt die Schaltung des Abwärtswandlers ADP2370. Hierzu können Sie die ‚Test Fixture‘, also die externe Beschaltung als vorgefertigte Schaltung in LTSpice auswählen. Sobald die Schaltung angezeigt wird, wählen Sie FRA (Frequency Response Analyzer) unter ‚Component‘ aus und setzen ihn oberhalb des Widerstandsteilers des Widerstandes (R1) ein (Bild 1).

Im nächsten Schritt wählen Sie die Simulationsart für das Erstellen eines Bode-Diagramms aus. Dies ist in Bild 1 als ‚.fra‘ dargestellt.

Bevor die Simulation gestartet werden kann, müssen Sie noch die gewünschten Parameter für die Bode-Diagramm-Simulation eingeben. Hierbei gibt es viele Optimierungsmöglichkeiten. Ein Rechtsklick mit der Maustaste auf FRA öffnet ein Fenster, in dem Einstellungen im Bode-Diagramm vorgenommen werden können. Wollen Sie es sich einfach machen, wählen Sie die ‚Help Me Configure This For a Switching Regulator‘, in Bild 2 rot markiert, aus.

In diesem automatisierten Prozess der Einstellungen ist es ausreichend, die DC-Ausgangsspannung des Schaltreglers, die Schaltfrequenz sowie die zu erwartende Bandbreite des Reglers, also den 0-dB-Durchgang im Bode-Diagramm einzugeben. Sind diese Einstellungen gemacht, müssen Sie nur noch den ‚laufenden Mann‘, also die Simulationstaste in LTSpice anklicken.

Bild 3 zeigt das Fenster für das Bode-Diagramm, welches sich automatisch nach der abgeschlossenen Simulation öffnet. Im Bode-Diagramm ist die Bandbreite der Regelschleife durch die Frequenz des 0-dB-Durchgangs zu erkennen. Dieser liegt in obigem Beispiel bei ca. 23 kHz. Die Stabilität einer Regelschleife können Sie anhand der Phasenreserve beurteilen.

Diese Phasenreserve ist der Phasenversatz der Regelschleife bei der Frequenz des 0-dB-Durchgangs der Verstärkung (‚gain_1‘ in Bild 3). Die Phasenreserve (Phase Margin) sollte größer als 40 Grad sein. In obigem Beispiel liegt sie bei ca. 53 Grad. Der Schaltregler ist also ausreichend stabil.

Fazit: Mit LTSpice ab Version 17.1 ist das Erstellen eines Bode-Diagramms durch das FRA-Modul sehr viel einfacher geworden. Zusätzlich wurde die Berechnung der Simulation so optimiert, dass sich die Simulationszeit stark verkürzt hat. Damit wird das Optimieren der Regelschleife eines Schaltreglers sehr einfach. (kr)

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