Power-Tipp

Gewichtete Regelung verleiht allen Ausgängen eines Netzteils die geforderte Regelgenauigkeit

Als Beispiel für eine solche Schaltung zeigt Bild 1 einen Offline-Sperrwandler geringer Leistung, der einen Ausgang mit 3,3 V und einen weiteren mit einer Ausgangsspannung von 5 V  besitzt. Für den 3,3-V-Ausgang war eine Regelgenauigkeit von ±5 % gefordert, während der 5-V-Ausgang auf ±10 % genau geregelt werden sollte. Das Design enthält einige Techniken zur Verbesserung der Kreuzregelung. In doppelter Hinsicht hilfreich ist dabei die Tatsache, dass die Sekundärwicklung des Übertragers mit einem Mittenabgriff versehen ist, um die beiden Ausgangsspannungen von 3,3 V und 5 V zu erzeugen.

Bild 1: Der Widerstand R18 ermöglicht es, die Regelung der Ausgangsspannung zu gewichten.  (Bild: VBM-Archiv) Bild 1: Der Widerstand R18 ermöglicht es, die Regelung der Ausgangsspannung zu gewichten. (Bild: TI)

Die Streuinduktivität zwischen den beiden Ausgängen wirkt sich auf die Kreuzregelungs-Eigenschaften aus. Die Wicklung mit Mittenabgriff aber hilft, diese Streuinduktivität zu minimieren. Wird der 3,3-V-Ausgang geregelt, so kompensiert die Regelung den Spannungsabfall an der Wicklung, und nur die Spannung an der verbleibenden 5-V-Wicklung verändert sich. Tatsächlich hat man es mit einer Schwankung an einer 1,7-V-Wicklung (anstatt einer 5-V-Wicklung) zu tun. R6 und D5 unterstützen die Regelfunktion, wenn die 5-V-Wicklung gering belastet ist, während an der 3,3-V-Wicklung eine große Last liegt. Wenn der primärseitige FET in dieser Situation abschaltet, ist in der Streuinduktivität viel Energie gespeichert, die in einer gering belasteten Sekundärwicklung die Peak-Erkennung ermöglicht. R6 und D5 fungieren hier als geschaltete Last, die nur einen geringen Strom zieht, bis sich die Spannung dem Abregelpunkt nähert.

Bild 2: Die Regelung des 3,3-V-Ausgangs kann bewirken, dass die Spannung am 5-V-Ausgang aus dem spezifizierten Bereich herausfällt.  (Bild: TI Bild 2: Die Regelung des 3,3-V-Ausgangs kann bewirken, dass die Spannung am 5-V-Ausgang aus dem spezifizierten Bereich herausfällt. (Bild: TI)

Bild 2 zeigt die Kreuzregelung der Ausgangsspannungen als Funktion des Laststroms ohne den in Bild 1 gezeigten Widerstand R18. Die Regelung des 3,3-V-Ausgangs arbeitet exakt – und dies über alle Lastkombinationen hinweg. Die Lastlinie zeigt über den Ausgangsstrom einen flachen verlauf. Entscheidend für die Regelgenauigkeit sind hauptsächlich die Toleranzen der Widerstände sowie die Toleranz und die Temperatureigenschaften der Referenz. Da der 5-V-Ausgang im vorliegenden Fall jedoch unzureichend geregelt wird, werden die Spezifikationen nicht eingehalten. Dieser Mangel kann auf mehrere Faktoren zurückgeführt werden.

Zunächst ist die fehlende Regelung des 5-V-Ausgangs anzuführen. Einige Widerstände liegen außerhalb des Regelkreises am 3,3-V-Ausgang, und auch die Streuinduktivität zwischen den beiden Sekundärwicklungen beeinträchtigt die Regelung des 5-V-Ausgangs. All dies führt dazu, dass es für einen bestimmten Strom am 3,3-V-Ausgang zwei Ausgangsregelungs-Kurven für den 5-V-Ausgang gibt. Hinzu kommt, dass eine Last am 3,3-V-Ausgang die Spannung am 5-V-Ausgang ansteigen lässt. Ein Beispiel für diesen Effekt ist die 3,3-V-Diode. Bei höheren Ausgangsströmen fällt an ihr mehr Spannung ab, woraufhin die Regelung die Spannung am Übertrager anhebt, um dies zu kompensieren. Die Spannungszunahme aber wirkt sich proportional auch am 5-V-Ausgang aus. So erklärt sich der Anstieg der Spannung an diesem Ausgang.

In der gezeigten Schaltung erfüllt der 3,3-V-Ausgang die Vorgaben einwandfrei, während der 5-V-Ausgang aus den Spezifikationen herausfällt. Als mögliche Verbesserungsmaßnahme könnte man die Regelung auf den 5-V-Ausgang wirken lassen. In diesem Fall wären die 5 V geregelt, während sich am 3,3-V-Ausgang eine Toleranz von ±10 % einstellen würde, die deutlich aus dem spezifizierten Bereich herausfällt. Das Design muss aber beide Regelfenster einhalten und somit auf einen Mittelweg zwischen diesen beiden Extremen zielen. Dies ist durch Einfügen der Widerstände R12 und R18 möglich.

Um zu bestimmen, welche Ausgangsspannungs-Schwankung verkraftet werden müssen, muss zunächst eine Kurve wie in Bild 2 erstellt und die Toleranz berechnet werden. Hält man den 3,3-V-Ausgang konstant, schwanken die 5 V um ±12 %. Möchte man die Schwankungsbreite auf beide Ausgänge verteilen, kann man beispielsweise 2 % Toleranz am 3,3-V-Ausgang zulassen, am 5-V-Ausgang dagegen 9 %. Damit bliebe ein Spielraum von einem Prozentpunkt für jeden Ausgang. Zum Berechnen der Widerstände des Spannungsteilers werden zunächst einige Gleichungen bei den Spannungs-Extrema aufgestellt, um den Strom in R15 zu berechnen und anschließend nach dem Widerstandsverhältnis aufzulösen.

Sobald diese Verhältnisse feststehen, kann man einen der drei Widerstände auswählen und nach dem verbleibenden Widerstand auflösen. Wird also der Wert von R18 vorgegeben, lässt sich R12 aus dem oben angegebenen Verhältnis berechnen. Anschließend wird der Strom durch die beiden oberen Widerstände ausgerechnet. R15 lässt sich schließlich an Hand der Tatsache errechnen, dass an ihm eine Spannung von 1,25 V abfällt und er von der Summe beider Ströme durchflossen wird.

Bild 3: Mit Abstrichen an der Regelgenauigkeit des 3,3-V-Ausgangs wird erreicht, dass der 5-V-Ausgang ebenfalls die Spezifikationen erfüllt.  (Bild: TI) Bild 3: Mit Abstrichen an der Regelgenauigkeit des 3,3-V-Ausgangs wird erreicht, dass der 5-V-Ausgang ebenfalls die Spezifikationen erfüllt. (Bild: TI)

Bild 3 zeigt, wie sich die Regelung – mit gewissen Abstrichen an der Regelgenauigkeit des 3,3-V-Ausgangs – so abwandeln lässt, dass sie die Spezifikationen erfüllt.

Um die geforderte Regelgenauigkeit eines Netzteils mit mehreren Ausgangsspannungen zu erzielen, sind also nicht unbedingt mehrere Regelkreise erforderlich. Die allgemeinen Regeleigenschaften lassen sich bereits mit Vorlasten und eng gekoppelten Wicklungen verbessern. Zusätzlich ist eine gewichtete Regelung mehrerer Ausgänge möglich. Dabei wird vorgegeben, in welchem Ausmaß jeder Ausgang bei der Regelung berücksichtigt werden soll. Ein einziger zusätzlicher Widerstand im Regelkreis kann dabei viel Schaltungsaufwand einsparen.

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