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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

1. Wandler steckt im Anlaufzustand fest

Ein häufiges Phänomen bei strombegrenzten Systemen, gespeist etwa aus einer 4-20-mA-Stromschleife oder per Energy Harvesting, ist, dass der Wandler in seinem Anlaufzustand hängenbleibt und in einer Hiccup-Schleife zyklisch versucht, die Ausgangsspannung von 0 V auf den Sollwert zu bringen. Hierzu kann es kommen, weil der Wandler während des Anlaufens einen relativ hohen Inrush-Strom zieht, der nahezu immer größer ist als der maximale Ausgangsstrom strombegrenzter Systeme. Dieser Inrush-Strom bewirkt ein plötzliches Abfallen der Eingangsspannung. Hierdurch spricht die Unterspannungs-Sperre (Undervoltage Lockout, UVLO) des Wandlers an, der deshalb abschaltet. Der Inrush-Strom fließt daraufhin nicht mehr, die Eingangsspannung steigt wieder an und der Wandler startet neu. Infolgedessen fließt der Inrush-Strom erneut; der gesamte Zyklus beginnt von vorn.

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Bild 1 zeigt ein Beispiel für diesen Hiccup-Betrieb anhand des TPS62125, der hier ohne EN-Pin genutzt und aus einer strombegrenzten Quelle gespeist wird. Erkennbar ist, dass die Ausgangsspannung nie ihren Sollwert von 3,3 V erreicht. Eine einfache Abhilfemaßnahme ist die Verwendung eines Wandlers mit einer präzisen Ansprechschwelle am EN-Pin. Wird der EN-Pin des TPS62125 genutzt, steigt die Eingangsspannung zunächst bis zum programmierten V_IH-Wert an, der deutlich über der Ansprechschwelle der UVLO-Funktion des Wandlers liegt. Hierdurch wird in der Eingangskapazität ausreichend Energie für den Inrush-Strom gespeichert.

Wie Bild 2 verdeutlicht, bricht die Eingangsspannung auch hier ein, aber nicht so weit, dass die UVLO-Schaltung aktiviert würde. Somit bleibt der Gleichspannungswandler in Betrieb und kann ordnungsgemäß anlaufen. Wichtig ist eine präzise Ansprechschwelle am EN-Pin auch für das einfache MPPT (Maximum-Power-Point Tracking). In einer solchen Anwendung darf die Eingangsspannung um den Maximum Power Point (MPP) herum schwanken, damit ein Energy Harvester (z. B. ein Solarpanel) mit maximaler Ausgangsleistung arbeiten kann.

2. Die Ausgangsspannung steigt zu langsam an

In Systemen mit einer langsam zunehmenden Eingangsspannung kann auch die Ausgangsspannung so langsam ansteigen, dass die vom jeweiligen Verbraucher (z. B. einem Mikrocontroller) verlangte Anstiegsrate nicht erreicht wird. Zu einer zu langsamen Zunahme der Ausgangsspannung kommt es, wenn diese Spannung größer als die UVLO-Ansprechschwelle des Wandlers eingestellt ist und die Eingangsspannung zum Ansteigen länger braucht als die programmierte Softstart-Zeit. In diesem Fall schaltet die langsam ansteigende Eingangsspannung den Wandler zwar korrekt ein. Anstatt dann aber innerhalb der Softstart-Zeit anzusteigen, nimmt die Ausgangsspannung nur mit der Anstiegszeit der Eingangsspannung zu.

Bild 3 illustriert, dass der Wandler (ein TPS62136, eingestellt auf eine Ausgangsspannung von 3,3 V) während der Anlaufphase in den 100-%-Modus kommt (rot eingekreist) und eine sehr lange Anlaufphase aufweist. Der Eintritt in den 100-%-Modus während der Anlaufphase ist ein Indiz für den vergeblichen Versuch des Wandlers, die Ausgangsspannung schneller ansteigen zu lassen. Ursächlich hierfür ist die unzureichende Eingangsspannung. Höher ist die Anstiegsrate der Ausgangsspannung, wenn man den EN-Pin zum Einschalten des Wandlers nutzt, sobald die Eingangsspannung einen höheren Wert erreicht hat. In Bild 3 ist die trotz der ebenso langsam steigenden Eingangsspannung erzielte, höhere Anstiegsrate der Ausgangsspannung erkennbar.

3. Schwankungen des Timings beim Anlaufen

Systeme mit mehreren Versorgungsspannungen erfordern häufig ein Sequencing, d. h. die verschiedenen Gleichspannungswandler müssen in einer bestimmten Reihenfolge anlaufen. Beim Sequencing darf die Eingangsspannung oder eine andere System-Versorgungsspannung vollständig ihren Nennwert erreichen, bevor der nächste Wandler startet. Durch dieses Verteilen der Anlaufphasen wird der Inrush-Strom des gesamten Systems geringer. Bestimmte Verbraucher – etwa Prozessoren oder FPGAs – erfordern üblicherweise ein Sequencing ihrer verschiedenen Versorgungsspannungen.

Am einfachsten lässt sich dieses Sequencing umsetzen, indem man den Power-Good-Ausgang (PG) des einen Wandlers mit dem EN-Pin des nächsten verbindet. Diese simple Methode ist jedoch nicht immer einsetzbar. Möglicherweise besitzt der ersten Wandler gar keinen PG-Ausgang, oder die Pull-up-Spannung des PG-Signals ist nicht hoch genug für den EN-Pin des nächsten Wandlers. Abgesehen davon kann beim ersten Wandler dieser Anlaufsequenz auf keinen PG-Pin eines vorherigen Wandlers zurückgegriffen werden. In diesen Fällen hilft oft eine RC-Verzögerungsschaltung, um das Anlaufen der Wandler hinauszuzögern und so ein rudimentäres Sequencing zu implementieren.

Eine solche RC-Verzögerungsschaltung verlangsamt die am EN-Pin liegende Spannung bezogen auf die Eingangsspannung oder eine andere System-Versorgungsspannung. Allerdings haben die Toleranzen des Widerstands und des Kondensators sowie die Schwellenspannung des EN-Pins zur Folge, dass diese Verzögerungszeit stark variiert. Bild 4 gibt das Startverhalten des TPS62130A mit einer RC-Verzögerungsschaltung wieder. Der Wandler läuft hier bei seiner typischen Schwellenspannung des EN-Pins von 0,65 V an.

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