Digitale Steuerung von Schaltwandlern

Schaltwandler sind universelle Spannungversorgungseinheiten, die sich immer größerer Beliebtheit erfreuen und in den meisten Fällen den analogen Reglern vorgezogen werden, da sie wesentlich effektiver arbeiten. Leider erfolgt die Einstellung der Ausgangsspannung bisher immer noch analog mittels Potentiometer/Trimmer. Das ist ein Problem, wenn man die Ausgangsspannung mittels Microcontroller einstellen möchte. Ich habe mir drei Lösungsmöglichkeiten für dieses Problem angesehen:

  • Umschaltbare Widerstände
  • PWM
  • DAC mit externem Komparator

Hinweise zur Simulation

Ich habe die Simulationen mit dem kostenlosen LTspice XVII erstellt. Als Grundlage habe ich das Beispiel 1938.asc eingesetzt. Das habe ich ausgewählt, weil die Simulation damit relativ problemlos funktionierte. Es ist nur ein Beispiel und hat nichts mit dem später eingesetzten IC’s zu tun. Auch der Operationsverstärker OP07 ist nur ein Beispiel. Später werde ich eher den LM358 oder LM324 einsetzen. Diese sind aber bei LTspice nicht dabei.

Die Simulationen sind nur ein erster Versuch mit der Materie vertraut zu werden. Die wirklichen Ergebnisse werde ich später bei echten Aufbauten erhalten.

Die Bilder und Plots aus LTspice sind auf der Website nur sehr schlecht zu erkennen. Ein Linksklick mit der Mouse ins Bild zeigt es in voller Größe und dann ist auch alles gut zu erkennen.

Zum Nachvollziehen werde ich die Dateien am Ende der Kapitel anhängen, so dass Ihr sie herunterladen könnt.

Die Originalschaltung

In der Standardschaltung wird aus R1 und R2 ein Sapnnungsteiler gebildet der die Ausgangsspannung bestimmt.

Standardschaltung aus dem Beispielfile 1938.asc

Hier die Standardbeschaltung mit Impulslast.
Der Plot der Standardbeschaltung mit Impulslast.

Umschaltbare Widerstände

Noch nicht bearbeitet.

PWM

Noch nicht bearbeitet.

DAC mit externem Komparator

Die Schaltwandler IC’s besitzen einen eingebauten Komparator, der die mittels Spannungsteiler heruntergeteilte Ausgangsspannung mit einer internen Referenzspannung vergleicht und so den Schalttransistor ansteuert. Wenn eine externe Referenz möglich wäre, könnte man darüber die Ausgangsspannung mittels DAC einstellen. Da diese Möglichkeit nicht besteht, muss ein externer Komparator eingesetzt werden. Der besteht im einfachsten Fall aus einem Operationsverstärker. Der -Eingang wird mit dem DAC verbunden, der +Eingang mit der Ausgangsspannung und der Ausgang mit dem Feedback-Eingang (FB) des IC’s.

Schaltbild der Simulation in LTspice

Im obigen Schaltbild befindet sich der Operationsverstärker in der Bildmitte (OP07). V2 entspricht dem DAC. Rechts habe ich mi I1 eine Impulsstromsenke hinzugefügt. So wird der Strom zwischen 200 mA und 1,7A hin und her geschaltet. Das habe ich eingefügt, weil mich das Regelverhalten der veränderten Schaltung interessiert.

Das Ergebnis der Simulation für 3,3 Volt ausgangsspannung ist im folgenden Plot dargestellt:

Ergebnis der Simulation

Die blaue Line zeigt die Ausgangsspannung, die rote Linie den Ausgangsstrom und die grüne Linie die Spannung am FB-Eingang des IC’s. Die Reaktion der Ausgangsspannung auf die Laständerung ist dieser Darstellung kaum wahrnehmbar.

Plot mit besserer Auflösung der Ausgangsspannung.

Auch bei besserer Auflösung geht der Einfluß der Stromänderung in den systembedingten Spannungsschwankungen unter. Nur im Einschaltmoment bricht die Spannung kurz auf 3,0 Volt ein.

Allerdings ist deutlich angestiegener Rippel zu erkennen. Das dürfte an der Slew Rate von 0.3 V/μs des OP07 liegen. Für LM358/324 ist der selbe Wert im Datenblatt zu finden.

Ich habe die Simulation mit 5 Volt wiederholt. Auch dabei zeigte sich, dass die Pannung im Einschaltmoment für einen kurzen Zeitraum unter die -5%-Grenze (4,75 Volt) von 5 Volt absinkt.

Plot bei 5 Volt

Hier sind es 4,63 Volt. Nun interessiert mich, ob der 100R Widerstand in der FB-Zuleitung einen Einfluß hat:

Nun habe ich den Widerstand 0R gemacht. Da das bei LTspice nicht geht habe ich den Wert auf 0,000001R gesetzt. Damit ergibt sich tatsächlich eine kleine Veränderung. Der Wert liegt jetzt bei 4,69 Volt. 60 mV machen den Kohl nicht wirklich fett.

Dieser Spannungseinbruch dauert ca. 50 µS.

Wahrscheinlich lässt sich dieser Spannungseinbruch durch einen Stützkondensator direkt an der Last reduzieren.

Zusammenfassung und Ausblick

Grundsätzlich funktioniert dieses Konzept. Als Operationsverstärker kommen aber nur sehr schnelle Typen in Frage. Bei der Simulation wurden die Eigenschaften des IC’s durch den Operationsverstärker deutlich verschlechtert.

Simulation mit schnellem OP

ADA4891 mit 190 V/µs

Sonderbarerweise zeigte der erste Plot völlig absurde Linienzüge. Die 3,3 Volt wurden nicht erreicht. Schließlich konnte ich durch verlängern der Beobachtungszeit dann doch noch ein brauchbares Ergebnis sehen. Der Start dauert >3 ms bis die 3,3 Volt erreicht sind. Dann sieht alles normal aus.

Um alle Störfaktoren auszuschalten hatte ich die Impulsstromsenke abgekniffen. Nun da alles Funktioniert miot einem neuen Timing ein neuer Versuch:

Sonderbarer Weise schaft es die Schaltung nicht die Last von 1,5A auszuregeln. Bei den vorherigen Simulationen funktionierte das einwandfrei.

Das Problem hat der Elko C5 mit 220µF gemacht, den ich bei den ersten Simulationen mit einem OP hinzugefügt hatte, um den Rippel zu reduzieren. Warum dort das Problem nicht aufgetreten ist, erschließt sich mir nicht.

Mit nur 22µF funktioniert es wie es soll. Die FB-Spannung habe ich ausgeblendet weilsie sonst alles andere überdeckt.

Nun ist der Rippel wieder größer aber die Schaltung funktioniert.

Hier wurde C1 von 22 auf 100 µF erhöht. Das funktioniert auch noch Problemlos. Der Spannungseinbruch bei Last ist < 20 mV.
Der Schaltplan der obigen Simulation.

Einen LDO-Regler nachschalten

Es wird empfohlen für eine besonders saubere Spannung einen analogen LDO-Regler nachzuschalten. Das wollte ich natürlich auch simulieren.

Links:

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