Spannungsqualität bei modernen Stromversorgungen

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Die Gegenkopplung und der Gegenkopplungsgrad

Die Art der Gegenkopplung ist ausschlaggebend für die statische und dynamische Qualität der Ausgangsspannung einer solchen Spannungsversorgung. Der Gegenkopplungsgrad ist ein Maß für das „Dagegenhalten“ des Reglers gegenüber Störgrößen wie Veränderung des Ausgangsstroms, Innenwiderstand des Stellgliedes und Änderung der Eingangsspannung.

Er ist definiert als das Produkt aus dem Betrag der Regler- und Stellgliedverstärkung und dem Spannungsteiler-Faktor:

K_Gegen (f)=IG_R(f)+G_S(f)I*K_ST

Der Gegenkopplungsgrad minimiert den Ausgangswiderstand des Stellgliedes und damit die Lastabhängigkeit der Ausgangsspannung. Bei höheren Frequenzen nehmen sowohl Reglerverstärkung als auch die Verstärkung des Stellgliedes ab. Hierdurch wird der natürliche Ausgangswiderstand des Stellgliedes bei höheren Frequenzen dominant.

Dieser Zunahme im Innenwiderstand begegnet man üblicherweise durch höherfrequente Pufferkondensatoren am Ausgang. Grundsätzlich sollte aber der Pegel der Referenzspannung so hoch wie möglich sein. Dadurch werden der Spannungsteilerfaktor und damit der Gegenkopplungsgrad vergrößert.

Frequenzgangkorrektur des Reglers

Bei einem gegengekoppelten System muss grundsätzlich eine Frequenzgangkorrektur des Reglers vorgenommen werden. Dadurch wird ein robuster Regler mit deutlich minimierter Schwingneigung erzielt. Üblicherweise ist der Frequenzgang der Verstärkung des Stellgliedes kaum beeinflussbar. Aus diesem Grund werden alle Maßnahmen zur Frequenzgang-Kompensation im Regler und seiner Gegenkopplungsbeschaltung realisiert.

Getaktete Systeme besitzen neben relativ hohen Schaltstörungen, die über passive Filterstrukturen an Ein- und Ausgang abgefiltert werden müssen, auch über eine beschränkte Bandbreite des Stellgliedes. Eine natürliche Grenze stellt hier die Taktfrequenz dar. Klassisch aufgesetzte Regler dürfen maximal bis zu 1/5 der Taktfrequenz offene Schleifenverstärkungen mit einem Betrag größer 1 aufweisen.

Komplexere analoge und auch digitale Reglersysteme dürfen offene Schleifenverstärkungen bis zu Hälfte der PWM-Frequenz besitzen. Robuste Regler im Einsatz mit sehr variablen Lasten bezüglich des dynamischen und statischen Verhaltens sollten im Frequenzgang des Reglers deutlich vor der Hälfte der Schaltfrequenz in der Verstärkung herunter genommen werden.

Die Literatur schlägt drei grundsätzliche Reglertypen vor. Variante 1: Regler vom Typ P-T1 bzw. I, d.h. ein dominanter Pol bestimmt den Verstärkungsgang. Variante 2: Regler vom Typ PD-T2. Dieser weist zwei dominante Pole und zwischen den Polen eine Nullstelle im Frequenzgang auf. Er wird gerne bei Sperr- und Abwärtswandlern eingesetzt. Variante 3: Regler vom Typ PD2-T3. Dieser besitzt einen zusätzlichen Phasen-Boost, um beispielsweise bei LC-Resonanz eines Ausgangsfilters zusätzliche Stabilität in das System einzubringen.

Während bei Linearendstufen sehr oft Regler der Variante 1 für ein qualitativ gutes Ergebnis ausreichend sind, benötigen getaktete Systeme ausgeklügelte Regler vom Typ 2 bzw. 3, um ein stabiles Verhalten der Ausgangsspannung zu garantieren.

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