Spannungswelligkeit - Texas Instruments Ti-Pmlk Bedienungsanleitung

Theoretischer Hintergrund
Die Eingangs- und Ausgangskondensatoren filtern das bei Schaltreglern während des Betriebs auftretende, hochfrequente Schaltrauschen heraus. Bei einem Abwärtsregler muss der
Ausgangskondensator die Welligkeit des Induktorstroms (Dreieckwellenform) glätten und dafür sorgen, dass die Welligkeit der Ausgangsspannung in einem Bereich von ca. 1 bis 2 % des
durchschnittlichen Gleichstromwerts liegt. Der Eingangskondensator muss hingegen die Welligkeit des MOSFET-Stroms (trapezförmige Wellenform) verringern und die Welligkeit des Eingangsstroms
auf ca. 10 bis 20 % des durchschnittlichen Gleichstromwerts begrenzen. Die Wellenform und Größe des zu filternden Rippelstroms sowie die Kapazität C und der äquivalente Serienwiderstand
(ESR) der Kondensatoren beeinflussen die Form und Größe der Welligkeit der gefilterten Ausgangsspannung und des Eingangsstroms. Die vereinfachten Formeln zur Analyse der Strom- und
i
Spannungswelligkeit bei Abwärtswandlern im Continuous Conduction Mode sind nachfolgend zusammengefasst.
Ungesättigter
Induktor
∆i
i DI i i
I
V
pp
pp
Lo L Lo
out
DT D'T
s s
Wenn der Induktor nicht Bei hohem Laststrom nimmt
gesättigt ist, wird die Spit- die Induktivität L wegen
∆i
i
i
V
der
ze-zu-Spitze-Stromwellig-
pp
Lo Lo
out
keit ΔI durch die Schaltfre- sättigung ab, und die Spit-
pp
DT D'T
ze-zu-Spitze-Stromwellig-
quenz f , die Induktivität L
s s
s
und die Eingangsspannung keit ΔI
V entsprechend Formel (1) dem ungesättigten Zustand
(*)
in
entsprechend der Formel (2)
bestimmt:
D = V / V , D' = 1–D zu:
(*)
out in
(1) DI = V D' / (f L) (2) DI
pp out s
Die Wellenformen der Spannungs- und Stromwelligkeit können sich aufgrund von Folgendem ändern:
Wissens-
• Wandler läuft im Discontinuous Conduction Mode (niedriger I
• Verhältnis zwischen dem ESR und der Kapazität C der Kondensatoren [4]
wertes
• Abhängigkeit des ESR und der Kapazität C von Frequenz, Betriebstemperatur, Betriebsspannung, Toleranz und Alterung (nähere Informationen sind auf den
• Hochfrequente Schwingungen aufgrund parasitärer Induktivitäten des Netzgeräts, der Leiterbahnen und der Kondensatoren [3][5]
• Sonderfunktionen des Reglers (der TPS54160 verfügt über spezielle Betriebsmodi, um bei geringer Last den Wirkungsgrad zu verbessern. Weitere
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TI Power-Management-Laborkit
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∆i
i i
V
pp
Lo Lo Lo
out
DT D'T DT DT DT D'T D'T
Gesättigter Ausgangskondensa-
s s
s s s
Induktor
tor mit hohem ESR
∆v ∆i
outpp linepp
∆i ∆i
V
DI i i
I i
V
V
pp pp
pp out
Lo L Lo Lo
line
out out
DT D'T DT D'T
DT DT D'T D'T DT DT DT D'T DT D'T D'T
s s s s s
s s s s s s
Bei Elektrolytkondensatoren
∆v
∆v
ist der ESR in Bezug auf die
outpp
∆i
V
V
magnetischen Kern-
Impedanz der Kapazität 1/
pp
out
out
(2πf C ) dominierend, und
s out
DT DT D'T D'T DT DT D'T D'T
die

Spannungswelligkeit

s s s s s s
nimmt gegenüber wird durch den ESR und
pp
die Stromwelligkeit ΔI
sprechend Formel (3) be-
stimmt:
> V D' / (f L) (3) DV = ESR DI
pp out s outpp
Websites der Kondensatorhersteller in den entsprechenden Datenblättern zu finden)
Informationen zum Betrieb und zu den Leistungsmerkmalen des TPS54160 sind in [5] zu finden.)
∆v ∆i ∆v ∆v
outpp linepp
outpp outpp
∆i ∆i
i
V V
pp pp
line
out out
D'T DT DT DT D'T D'T D'T
Ausgangskonden-
s s s s s s s s s
sator mit geringem
∆v
∆v ESR ∆i
∆v
∆v ∆v
outpp
outpp linepp
outpp outpp outpp
∆i ∆i ∆i
V
DV
i
i
V DV
V V
outpp pp pp
out
Lo outpp
line
out
out out
DT D'T
D'T DT DT DT DT D'T D'T D'T D'T
s s s s s
s s s s s s s s s s
Bei Keramikkondensatoren
∆v
∆v
outpp outpp
ist der ESR sehr gering, und
outpp
∆i
i
V
die Welligkeit der Ausgangs-
Lo
out
spannung wird durch die
DT DT D'T D'T
Schaltfrequenz f , die Ka-
s s s s s s
s
pazität C und die Strom-
out
ent- welligkeit ΔI entsprechend
pp pp
Formel (4) bestimmt:
(4) DV = DI / (8f C
pp outpp pp s out
) [1][3]
out
∆i ∆i
linepp linepp
i i
line line
DT DT D'T D'T
Eingangskonden- Eingangskondensator
s s s s
sator mit hoher mit geringer Kapazität
∆v ∆v
Kapazität ∆v
outpp outpp outpp
DI
I i I
V V
V
pp inpp
in in
line
out out out
DT DT D'T D'T
DT D'T
s s s s
s s
Wenn der Eingangskonden- Wenn die Kapazität des Ein-
∆v
sator richtig dimensioniert gangskondensators zu klein
outpp
V
V
ist, wird die Welligkeit des ist, hängt die Spitze-zu-Spit-
pp
out
out
Eingangsstroms durch die ze-Größe der Welligkeit des
DT D'T
Schaltfrequenz f , die Kapa- Eingangsstroms vom Last-
s s
s
zität C des Eingangskon- strom und von der Induktor-
in
densators, den Laststrom stromwelligkeit ΔI
I und die Eingangsspan- chend Formel (6) ab:
out
nung V entsprechend For-
(*)
in
mel (5) bestimmt:
) (5) DI = I D'D / (f C ) (6) DI
inpp out s in
∆i
linepp
DI
inpp
DT D'T
s s
∆v
outpp
DT D'T
s s
entspre-
pp
= I + DI / 2
inpp out pp
Texas Instruments