Stabilität von DC/DC-Wandlern Wenn die Stromversorgung zum Systemfehler wird

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Ein Mikrocontroller startet sporadisch neu, Messwerte zeigen unerklärliche Abweichungen oder eine Kommunikationsverbindung bricht unter Last zusammen. Nicht immer liegt die Ursache dort, wo sich der Fehler bemerkbar macht: Auch eine ungünstig ausgelegte Regelschleife der Stromversorgung kann das gesamte System aus dem Takt bringen.

Eine Stromversorgung soll eine vermeintlich einfache Aufgabe erfüllen: Aus einer Eingangsspannung erzeugt sie eine möglichst konstante Ausgangsspannung. Ändert sich die Last, soll der Regler die Abweichung erkennen und schnell korrigieren. Genau dieses „schnell“ macht die Sache jedoch kompliziert.

Denn ein geregelter DC/DC-Wandler besteht aus einem geschlossenen Regelkreis. Die Ausgangsspannung wird erfasst, mit einem Sollwert verglichen und die daraus resultierende Abweichung zur Steuerung der Leistungsstufe verwendet. Der Regler versucht damit permanent, Störungen auszuregeln.

Wie gut ihm das gelingt, hängt nicht allein vom verwendeten Controller ab. Induktivität, Ausgangskapazität, ESR der Kondensatoren, Leistungsstufe, Fehlerverstärker und Rückkopplungsnetzwerk bestimmen gemeinsam das dynamische Verhalten des Wandlers.

Wenn die Last plötzlich Strom verlangt

Besonders deutlich wird die Aufgabe bei einem Lastsprung. Steigt beispielsweise der Ausgangsstrom eines Wandlers innerhalb kurzer Zeit von 1 A auf 5 A, kann die Induktivität den zusätzlichen Strom nicht augenblicklich bereitstellen. Zunächst muss der Ausgangskondensator einen Teil der benötigten Energie liefern. Dadurch sinkt die Ausgangsspannung.

Die Regelung erkennt diese Abweichung und erhöht die Energieübertragung über die Leistungsstufe. Wie schnell sie das tun kann, hängt wesentlich von ihrer Regelbandbreite ab. Damit scheint die Lösung zunächst offensichtlich: Je größer die Bandbreite, desto schneller kann der Wandler auf Änderungen reagieren. Doch genau hier beginnt das eigentliche Problem.

Eine höhere Bandbreite bedeutet nicht automatisch eine bessere Regelung. Die verschiedenen Komponenten des Wandlers beeinflussen nicht nur die Verstärkung, sondern auch die Phase des Regelsignals. Wird die Phasenverschiebung bei einer Frequenz zu groß, bei der die Schleifenverstärkung noch entsprechend hoch ist, verliert der Regelkreis seine Stabilitätsreserve. Statt eine Abweichung sauber auszuregeln, kann die Ausgangsspannung stark über- oder unterschwingen oder die Regelung sogar oszillieren.

Die zentrale Aufgabe lautet deshalb nicht, einen möglichst schnellen Regler zu entwickeln. Gefragt ist vielmehr ein ausreichend schneller und ausreichend stabiler Regler.

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Was das Bode-Diagramm über die Stabilität verrät

Für die Beurteilung dieses Verhaltens wird die Schleifenverstärkung über der Frequenz betrachtet. Das Bode-Diagramm zeigt dazu Betrag und Phase der Übertragungsfunktion.

Von besonderem Interesse ist die Durchtrittsfrequenz. Sie bezeichnet den Punkt, an dem die Schleifenverstärkung auf 0 dB fällt. Gleichzeitig lässt sich an dieser Stelle die Phasenreserve bestimmen. Liegt die Phase beispielsweise bei −120°, verbleibt bis zu den kritischen −180° eine Phasenreserve von 60°. Je kleiner diese Reserve wird, desto stärker neigt das System typischerweise zu Überschwingen und ausgeprägtem Einschwingen. Bei unzureichender Phasenreserve kann der Regelkreis instabil werden.

In der Praxis genügt es allerdings nicht, lediglich einen einzelnen Wert für die Phasenreserve zu betrachten. Auch Verstärkungsreserve, Durchtrittsfrequenz, Lastzustand und die Veränderungen der Regelstrecke über unterschiedliche Betriebsbedingungen müssen berücksichtigt werden.

Ein Wandler muss schließlich nicht nur bei einer definierten Eingangsspannung und einer bestimmten Last funktionieren. Eingangsspannung, Laststrom, Temperatur und Bauteilparameter können sich verändern. Auch Kapazitäten besitzen Toleranzen und können sich unter DC-Bias deutlich von ihrem Nennwert entfernen. Aus einer auf dem Papier stabilen Regelung muss deshalb eine unter realen Bedingungen robuste Regelung werden.

Wenige Bauteile mit großer Wirkung

Eine zentrale Rolle übernimmt dabei das Kompensationsnetzwerk. Je nach Reglerarchitektur befinden sich dort häufig nur einige Widerstände und Kondensatoren. Auf dem Schaltplan wirken diese Bauteile unscheinbar, regelungstechnisch erfüllen sie jedoch eine entscheidende Aufgabe. Mit ihnen werden gezielt Pole und Nullstellen erzeugt. Dadurch lässt sich der Frequenzgang des Fehlerverstärkers so formen, dass die gewünschte Durchtrittsfrequenz erreicht und gleichzeitig eine ausreichende Phasenreserve erhalten wird.

Die konkrete Auslegung hängt unter anderem davon ab, welche Regelungsarchitektur verwendet wird. Bei Voltage-Mode- und Current-Mode-Regelungen unterscheiden sich die Eigenschaften der Regelstrecke und damit auch die Anforderungen an die Kompensation. Die Auswahl eines Widerstands oder Kondensators ist deshalb keineswegs nur eine Frage des passenden Zahlenwertes aus einer Referenzschaltung. Wird beispielsweise die Verstärkung des Kompensators verändert, verschiebt sich die Durchtrittsfrequenz. Werden Pole oder Nullstellen verschoben, verändert sich die Phase im relevanten Frequenzbereich.

Damit entsteht ein klassischer Zielkonflikt: Eine schnellere Reaktion auf Laständerungen kann mit geringeren Stabilitätsreserven erkauft werden. Eine sehr konservative Kompensation erhöht dagegen die Robustheit, kann aber das transiente Verhalten verschlechtern.

Wenn der Fehler an der falschen Stelle gesucht wird

Die Auswirkungen einer ungünstigen Auslegung bleiben dabei nicht unbedingt auf das Netzteil beschränkt. Fällt eine Versorgungsspannung bei einem Lastsprung kurzzeitig weit genug ab, kann beispielsweise die Brownout-Schwelle eines Mikrocontrollers unterschritten werden. Das Ergebnis ist ein Reset. Für den Entwickler sieht es zunächst möglicherweise nach einem Softwarefehler aus.

Ähnliche Effekte können bei FPGAs, Prozessoren, Sensoren, ADCs oder Kommunikationsbausteinen auftreten. Versorgungsspannungen außerhalb ihrer spezifizierten Grenzen können Fehlfunktionen hervorrufen, die nur unter bestimmten Lastzuständen auftreten und entsprechend schwierig reproduzierbar sind.

Gerade das macht solche Fehler unangenehm: Ursache und beobachtete Wirkung liegen in unterschiedlichen Teilen des Systems. Ein sporadischer Kommunikationsfehler muss seine Ursache nicht in der Kommunikationsschnittstelle haben. Ein unerwarteter Prozessor-Reset muss nicht durch die Firmware ausgelöst worden sein. Und eine auffällige Messung muss nicht zwangsläufig auf den ADC zurückzuführen sein.

Bei der systematischen Fehlersuche gehört deshalb auch die Stromversorgung auf die Liste der möglichen Ursachen – und zwar nicht nur hinsichtlich ihres statischen Ausgangsspannungswertes.

Vom Datenblatt zum realen Regelkreis

Für Entwickler stellt sich damit die praktische Frage, wie sich eine geeignete Kompensation finden lässt. Eine vollständige analytische Betrachtung ist möglich, wird bei modernen Stromversorgungsdesigns aber schnell aufwendig. Werkzeuge wie LTpowerCAD setzen genau an dieser Stelle an. Auf Basis des gewählten Reglers und der Dimensionierung der Leistungsstufe lässt sich das Kleinsignalverhalten des Wandlers untersuchen. Entwickler können unter anderem beobachten, wie sich Änderungen der Kompensationskomponenten auf Durchtrittsfrequenz und Phasenreserve auswirken.

Der Vorteil besteht dabei nicht allein darin, geeignete Werte zu berechnen. Interessanter ist die Möglichkeit, Zusammenhänge sichtbar zu machen. Was passiert, wenn ein Kompensationswiderstand vergrößert wird? Wie verändert sich der Frequenzgang, wenn eine Nullstelle verschoben wird? Wie viel Phasenreserve bleibt bei der gewünschten Bandbreite? Aus abstrakter Regelungstechnik wird damit ein konkretes Entwicklungsproblem.

LTpowerCAD und LTspice ergänzen sich

Während LTpowerCAD insbesondere bei Dimensionierung und Kleinsignalanalyse unterstützt, lässt sich ein Entwurf anschließend mit LTspice detaillierter untersuchen. Dort kann beispielsweise die Reaktion auf einen Lastsprung simuliert werden. Interessant sind dabei nicht nur die maximale Unter- oder Überspannung, sondern auch die Dauer des Einschwingvorgangs und mögliche Oszillationen.

Beide Betrachtungsweisen ergänzen sich. Das Bode-Diagramm liefert Informationen über das Verhalten des Regelkreises im Frequenzbereich. Die Transientensimulation zeigt dagegen unmittelbar, was beispielsweise beim plötzlichen Einschalten einer Last geschieht.

Damit lässt sich die Brücke von Größen wie Schleifenverstärkung, Durchtrittsfrequenz und Phasenreserve zu einer im Oszilloskop sichtbaren Reaktion der Ausgangsspannung schlagen.

Die Simulation ersetzt allerdings nicht die Messung am realen Aufbau. Bauteiltoleranzen, parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten, Leiterplattenlayout sowie reale Eigenschaften von Kondensatoren und Induktivitäten können dazu führen, dass sich Hardware und Modell unterscheiden. Spätestens am Prototyp sollte die Stabilität deshalb auch messtechnisch überprüft werden.

Regelschleifen praktisch verstehen

Wie Kompensationskomponenten ausgewählt werden und wie sich Änderungen unmittelbar auf die Regelschleife auswirken, ist auch Thema bei „Power of Electronics“. Im Workshop „Auswahl von Kompensationskomponenten und Analyse der Regelschleife mit LTpowerCAD und LTspice“ geht es darum, die Zusammenhänge nicht nur theoretisch zu betrachten, sondern am konkreten Stromversorgungsdesign nachzuvollziehen.

Dabei steht letztlich eine Frage im Mittelpunkt, die weit über ein einzelnes Entwicklungswerkzeug hinausgeht: Wie lässt sich eine Stromversorgung so auslegen, dass sie schnell genug auf dynamische Lasten reagiert und gleichzeitig unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen stabil bleibt?

Denn im fertigen Produkt ist eine gut ausgelegte Stromversorgung meist unspektakulär. Sie verrichtet ihre Arbeit, ohne dass der Anwender etwas davon bemerkt. Interessant wird sie häufig erst dann, wenn sie genau das nicht mehr tut. (mr)

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