Texas Instruments TI-PMLK Bedienungsanleitung Seite 94

Erörterung
In Prüfung 1 haben wir beim hysteretischen Abwärtsregler LM3475 den Zusammenhang zwischen der DC-Genauigkeit der Ausgangsspannung, Spitze-zu-Spitze-Welligkeit der Ausgangsspannung,
Schaltfrequenz, Eingangsspannung, Laststrom und den Eigenschaften des Ausgangskondensators analysiert.
Im Folgenden richten wir unser Hauptaugenmerk auf die Schaltfrequenz, einem der wichtigsten Aspekte bei hysteretischen Abwärtsreglern. Sie können Ihre Kenntnisse in Bezug auf die DC-Genauigkeit
Theoretischer Hintergrund
und Welligkeit der Ausgangsspannung mithilfe der nachfolgend erörterten Konzepte und Schlussfolgerungen sowie der Formeln im Abschnitt vertiefen.
Die Formeln (2) und (5) im Abschnitt Theoretischer Hintergrund zeigen, dass die Eingangsspannung ein wesentlicher Einflussfaktor für die Schaltfrequenz ist. In der Tat führt eine höhere Eingangsspan-
nung zu einem niedrigeren Tastverhältnis D und dadurch zu einem höheren Wert von D' = 1 – D. Jenseits des formalen Nachweises durch die Formeln (2) und (5) besteht der physikalische Grund für den
Frequenzanstieg bei einer Erhöhung der Eingangsspannung darin, dass bei einem hysteretischen Abwärtsregler für die Ausschaltzeit des MOSFET durch die Ausgangsspannung und die Induktivität des
Induktors ein fester Wert gilt, während die Einschaltzeit abnimmt, wenn die Eingangsspannung zunimmt. Dies ist in den Abbildungen 7 und 8 gut zu sehen. Die Ausschaltzeit beträgt in beiden Fällen etwa
3 ms, wohingegen die Einschaltzeit von ca. 4 ms bei Vin = 5 V (Abbildung 7) auf ca. 1 ms bei Vin = 10 V (Abbildung 8) sinkt.
Der ESR des Ausgangskondensators ist ebenfalls ein wichtiger Einflussfaktor für die Schaltfrequenz. Die gemessene Schaltfrequenz kann von dem mit den Formeln (2) und (5) berechneten Wert abwe-
ichen. Die Gründe dafür sind vielfältig. Zunächst beträgt der nominale ESR der Kondensatoren C , C und C auf der LM3475-Platine 100 mW oder 200 mW, aber diese Werte wurden vom Hersteller bei
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einer bestimmten Frequenz gemessen (nähere Informationen zum ESR der Kondensatoren sind in den zugehörigen Datenblättern oder auf der Website des Herstellers zu finden), während sich der tatsäch-
liche ESR mit der Temperatur und Frequenz ändert. Jedoch besagen die Formeln (2) und (5), dass die Frequenz bei einem hysteretischen Regler vom ESR abhängt. Der hysteretische Regler verwendet
daher eine Frequenz, die in dem Maß von der mit den Formeln (2) und (5) berechneten Sollfrequenz abweicht, wie sich der tatsächliche ESR bei dieser Sollfrequenz vom nominalen ESR unterscheidet.
Auf der Platine sind der Ausgangskondensator C (C = 100 mF, ESR = 200 mW) und der Ausgangskondensator C (C = 100 mF, ESR = 100 mW) mit einem zusätzlichen Widerstand von 100 mW in Reihe
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geschaltet. In der Theorie sollten diese beiden Konfigurationen dieselbe Schaltfrequenz liefern. Dies ist aber nicht der Fall, da der tatsächliche ESR von C nicht 200 mW und der tatsächliche ESR von C
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nicht 100 mW ist. Zudem unterliegen die Verzögerungszeiten des LM3475 und des externen P-MOS sowie die Hysteresespannung VHYST des LM3475 ebenfalls Unsicherheiten, die zur Abweichung der
Schaltfrequenz von dem mit der Formel (5) berechneten Wert beitragen.
Der Laststrom hat einen kleinen Einfluss auf die Schaltfrequenz des hysteretischen Abwärtsreglers. Auch wenn es keinen expliziten Einfluss des Laststroms in den Formeln (2) und (5) gibt, vergrößern sich
doch die Verluste des Abwärtsreglers bei steigendem Laststrom, und dies führt zu einer Erhöhung des Tastverhältnisses D, was sich wiederum auf die Schaltfrequenz auswirkt. Außerdem kann sich bei
hohem Laststrom der Lastwiderstand auf den äquivalenten Widerstand auswirken, durch den der Rippelstrom des Induktors fließt, da der Lastwiderstand parallel zum ESR des Ausgangskondensators
ist. Dies kann zu einer Verringerung der Schaltfrequenz des hysteretischen Abwärtsreglers führen.
In Prüfung 2 haben wir den Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung, dem Laststrom, dem Ausgangskondensator und der Größe der Ausgangsspannungsspitzen während der Eingangsspan-
nungs- und Lasttransienten untersucht.
Die Größe der Ausgangsspannungsspitzen bei Eingangsspannungstransienten sollte aufgrund der schnellen Störgrößenaufschaltung der Hystereseregelung vernachlässigbar sein. In der Tat ändert sich
die Steigung des Induktorstroms unmittelbar, wenn es zu einer Änderung der Eingangsspannung kommt. Als Folge ändert sich auch die Steigung der Spannungswelligkeit am ESR des Ausgangskon-
densators rasch, und das gleiche geschieht mit dem Rückkopplungssignal, das bei einer Zunahme der Eingangsspannung schneller und bei einer Abnahme der Eingangsspannung langsamer ansteigt.
Die Einschaltzeit des MOSFET wird daher während des Auftretens von Eingangsspannungstransienten sofort angepasst, und dadurch wird die Ausgangsspannung des hysteretischen Abwärtsreglers
ausreichend immun gegen Eingangsspannungsstörungen. Die gute Störspannungsunterdrückung des LM3475 ist in Abbildung 10 zu sehen.
Die Ausgangsspannungsspitzen während der Lasttransienten hängen vom ESR des Ausgangskondensators ab und können deutlich sichtbar sein, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms hoch
ist. Der hohe ESR, der erforderlich ist, damit der Hystereseregler eine hohe Schaltfrequenz und eine gute Immunität gegen Eingangsspannungsstörungen bietet, hat eine kontraproduktive Wirkung auf
Lasttransienten, wie in Formel (7) dargestellt. In Abbildung 10 sind die Ausgangsspannungsspitzen nicht zu erkennen, weil die Stromanstiegsgeschwindigkeit im Bereich von 0.1 A/ms liegt.