So werden hochkapazitive Lasten am DC/DC-Wandler beherrschbar

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Maßnahmen gegen Überlastungen im Normalbetrieb

Ist der Kondensator geladen, kann die Last den benötigten Strom aus dem Wandler und dem Kondensator ziehen. Manche Lasten benötigen einen schnellen Stromanstieg, der außerhalb der möglichen Bandbreite des Wandlers liegen kann und dann vom Kondensator geliefert wird. In diesem Fall sinkt die Spannung am Kondensator nach der Formel: V_drop = I ^. dt/C. V_drop ist dabei der Spannungsabfall am Kondensator, I der benötigte Strom, C die Kapazität und dt die Zeit des Stromflusses.

Der Wandler lädt den Kondensator wieder auf den ursprünglichen Wert und kann dabei auch seinen Maximalstrom überschreiten. Die Spannungsdifferenz zwischen Wandlerausgang und teilweise entladenem Kondensator dividiert durch den Widerstand zwischen diesen beiden Spannungen bestimmt den benötigten Ladestrom. Dieser Widerstand ist in der Regel sehr niedrig, um Verluste im System zu vermeiden. Dies bedeutet aber, dass der benötigte Ladestrom höher als der Maximalstrom des Wandlers ist. Da die Kondensatorspannung nur knapp unter der Nominalspannung des Wandlers liegt, kann damit auch die maximal zulässige Leistung des Wandlers überschritten werden.

Diese Überlastung in Bezug auf Strom oder Leistung während des normalen Betriebes und nach einem hohen Stromimpuls muss vermieden werden. Dafür eignet sich eine Strombegrenzungsschaltung wie in Bild 3 gezeigt. Der Strom wird über einen Shunt gemessen und der Ladestrom durch ein aktives Herunterregeln der Ausgangsspannung des Reglers begrenzt. So sinkt die Spannungsdifferenz zwischen Wandler und Kondensator und damit auch der Ladestrom, und der Wandler bleibt innerhalb seiner maximal zulässigen Werte. Mit steigender Kondensatorspannung erhöht sich auch die Ausgangsspannung des Wandlers bis die Nominalspannung wieder erreicht wird.

Schneller hochfahren

Für ein schnelleres Hochfahren kann die Strombegrenzung in Bild 3 auch zusammen mit der Ladeschaltung in Bild 1 eingesetzt werden. Mit der Ladeschaltung wird der Kondensator bis zur minimalen Trimmspannung des Wandlers geladen. Danach kann der Wandler den Kondensator mit dem maximalen Strom weiterladen.

Über die Kontrolle des Spannungsanstiegs am Wandlerausgang wird auch der Ladestrom gesteuert. Allerdings haben die meisten Wandler einen engen Trimmbereich der typischerweise etwa ±10% der Nominalspannung beträgt. Einige Hersteller bieten einen Bereich bis –90% an. Je niedriger die minimale Spannung, desto weniger wird eine Freigabeschaltung für die Lasten benötigt, da diese meist über eine Unterspannungsabschaltung verfügen die nur knapp unter der nominalen Betriebsspannung liegt.

So bleibt das System stabil

Bleibt der Wandler beim Hochfahren und im Normalbetrieb innerhalb der erlaubten Grenzen, muss dafür gesorgt werden, dass das System stabil bleibt. Ein großer Kondensator am Wandlerausgang kann die Phasenreserve reduzieren und zu einem Schwingen führen. Für die Stabilität des Wandlers ist eine minimale Impedanz in Reihe zum Kondensator nötig. Die Impedanzen der Anschlussdrähte und Leiterbahnen sowie die ESR-Werte des FETs und des Kondensators selbst tragen dazu bei.

Bestimmen des minimalen Impedanzwertes

Die beste Methode, diesen minimalen Impedanzwert festzustellen, ist der Einsatz eines Netzwerkanalysators zum Bestimmen der Phasen- und Verstärkungsreserve des Systems. Steht kein Analysator zur Verfügung, ist der Test auch mit einem Lastsprung möglich. Dabei werden die Spannungen und Ströme kontrolliert, um sicherzustellen, dass keine übermäßigen Schwingungen auftreten. Dies wäre ein Zeichen für ungenügenden Stabilität.

Ist die Spannungsregelschleife stabil, kann die Strombegrenzungsschaltung in Bild 3 in Bezug auf deren Anteil an der Systemstabilität überprüft werden. Sie liegt innerhalb der Regelschleife des DC/DC-Wandlers und muss daher eine Bandbreite weit unterhalb der Bandbreite der Regelung des Gesamtsystems aufweisen, sonst kommt es zur gegenseitigen Beeinflussung. Bei fertigen Systemen geschieht die Kompensation des Reglers innerhalb des Wandlers und der Hersteller kann genügend Informationen bereitstellen, um eine geeignete Bandbreite für den externen Stromregler zu bestimmen.

Geänderte Regelschleife des Wandlers

Einige Hersteller erlauben es dem Entwickler, die Regelschleife des Wandlers zu verändern, sodass eine Optimierung der Eigenschaften für eine bestimmte Applikation möglich ist. Bild 4 zeigt einen Wandler mit einer externen Regelschleife. Diese kann für eine maximale Performance des Systems eingestellt werden und ist wichtig für Anwendungen, bei denen die Reaktionszeit der Stromversorgung ein kritischer Punkt für einen korrekten Betrieb des Systems ist. Dies ist z.B. in Applikationen mit periodisch gepulsten Lasten der Fall, da der Wandler den Kondensator vor dem nächsten Puls laden muss.

Die Stabilität des Systems sollte mit einem Netzwerkanalysator oder einem Lastsprung überprüft werden. Instabile Systeme können Spannungsabweichungen erzeugen, welche die maximal zulässigen Werte der Komponenten in der Stromversorgung überschreiten und dadurch eventuell auch zu einem Ausfall führen können.

* Dave Berry ist Principal Applications Engineer bei Vicor.

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