Texas Instruments TI-PMLK Bedienungsanleitung Seite 82

Erörterung
In Prüfung 1 haben wir untersucht, wie die Strombegrenzung des Abwärtsreglers TPS54160 mit dem Induktortyp in Beziehung steht.
Mit dem Induktor L mit Pulverkern kann der Regler einen höheren maximalen Strom liefern als mit dem Induktor L mit Ferritkern, obwohl die Nenninduktivität des Pulverkern-Induktors von 15 mH
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niedriger ist als die des Ferritkern-Induktors von 18 mH. Der Grund hierfür sind die geringere Sättigung des Induktors mit Pulverkern, die zu einem sanfteren Induktivitätsrückgang bei hohen Strömen
führt, sowie die Wirkung dieses Verhaltens auf die Steuerspannung V am COMP-PIN des TPS54160-PCC-Chips (Peak-Current-Control).
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Die Abbildungen 9 und 10 zeigen den Rippelstrom des Induktors und die Steuerspannung für die beiden Induktortypen. Die Kurven in Abbildung 9 beziehen sich auf eine Betriebsbedingung, in der die
Last 1.9 A zieht und der Induktor mit Ferritkern verbunden ist. Der Induktorstrom weist offensichtliche Sättigungseffekte auf, die aus Variationen der Steilheit des Stroms während der Schaltperiode
bestehen, was zu der typischen spitzen Form führt. Der Regler ist nicht in der Lage, 1.9 A Laststrom zu liefern und gleichzeitig eine geregelte Ausgangsspannung von 3.3 V bereitzustellen. Tatsächlich
hat die Steuerspannung den internen Grenzwert des TPS54160 erreicht (ca. 1.5 V), an dem die Strombegrenzung aktiviert wird. Abbildung 10 bezieht sich auf eine Betriebsbedingung, in der die Last
2.0 A zieht und der Induktor mit Pulverkern verbunden ist. Die Wellenform der Induktorstromwelligkeit ist weiterhin dreieckig und die Spitze-zu-Spitze-Größe ist kleiner als in Abbildung 9. Außerdem
beträgt die Steuerspannung in Abbildung 10 rund 1 V und ist damit sehr viel geringer als in Abbildung 9. Folglich kann der Abwärtsregler mit dem Induktor mit Pulverkern mehr als 2 A liefern, ohne
dass die Strombegrenzung anspricht.
Bei verbundenem Induktor mit Ferritkern ist die Steuerspannung höher, obwohl der Laststrom niedriger ist. Dies ist eine Folge der Funktionsweise des PCC-Schaltkreises. Der PCC-Schaltkreis ver-
anlasst das Ausschalten des MOSFET, wenn das Signal der internen Stromsensorik des TPS54160 (das von dem durch einen Messwiderstand fließenden MOSFET-Strom erzeugt wird) den Pegel
der Steuerspannung erreicht. Daher muss bei einem gegebenen durchschnittlichen Laststrom die Steuerspannung bei verbundenem Induktor mit Ferritkern höher sein, als dies bei verbundenem
Induktor mit Pulverkern der Fall wäre, da der Ferritkern aufgrund der Sättigung zu einer größeren Welligkeit führt. Als Folge davon ist der Spitzenwert des Messsignals größer. Dies ist die Ursache für
den niedrigeren Stromgrenzwert, wenn der Induktor mit Ferritkern verbunden ist.
Die Eingangsspannung wirkt sich zudem auf die Strombegrenzung aus, da sie die Größe der Welligkeit des Induktorstroms beeinflusst, wie dies bereits in Experiment 2 und Experiment 4 erläutert
wurde.
In Prüfung 2 haben wir untersucht, wie sich die Schaltfrequenz und der Ausgangskondensator je nach Induktortyp auf die Strombegrenzung des Abwärtsreglers TPS54160 auswirken.
Auf Grundlage der Erörterung von Prüfung 1 war zu erwarten, dass eine höhere Schaltfrequenz zu einem höheren Stromgrenzwert führt, da die Größe der Spitze-zu-Spitze-Welligkeit des Induktor-
stroms geringer und folglich der Pegel der Steuerspannung bei einem gegebenen Laststrom niedriger ist. Dies macht ein Vergleich der experimentellen Kurven in den Abbildungen 11 und 12, in denen
die Schaltfrequenz 500 kHz beträgt, mit den Kurven in den Abbildungen 9 und 10 mit einer Schaltfrequenz von 250 kHz deutlich.
Ein größerer Ausgangskondensator kann den Grenzwert der Strombegrenzung dank der geringeren Welligkeit der Ausgangsspannung erhöhen. Insbesondere die Empfindlichkeit der Strombegren-
zung gegenüber der Größe des Ausgangskondensators hängt von der Übergangsfrequenz der Spannungsschleifenverstärkung ab. Eine hohe Übergangsfrequenz wird mit einem sehr breitbandigen
Fehlerverstärker erreicht. In diesem Fall wird im stationären Zustand die Welligkeit der Ausgangsspannung bei der Schaltfrequenz durch den Fehlerverstärker verstärkt und in die Steuerspannung
V am COMP-PIN des TPS54160 eingespeist; sie wirkt sich also auf die Strombegrenzung aus. Bei einer niedrigen Übergangsfrequenz ist die Empfindlichkeit der Strombegrenzung gegenüber dem
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Ausgangskondensator vernachlässigbar, da der Fehlerverstärker die Welligkeit der Ausgangsspannung dämpft. Die Empfindlichkeit kann während der Lasttransienten höher sein, da die Kombination
von kleinem Ausgangskondensator und niedriger Übergangsfrequenz ein Überschwingen der Steuerspannung verursachen kann, welches das Aktivieren der Strombegrenzung begünstigt.