Torex HiSAT-COT™ Tutorial zur Steuerungsarchitektur

In diesem Artikel werden einige übliche Rückkopplungssteuerarchitekturen von Schaltnetzteilen untersucht. Die Vor- und Nachteile jeder Architektur werden erläutert und die HiSAT-COT™-Steuerungsarchitektur von Torex wird ausführlich besprochen. Der HiSAT-COT ist für Anwendungen konzipiert, die ein ultraschnelles Einschwingverhalten und den Betrieb bei einer festen Frequenz erfordern. Zu diesen Anwendungen gehören Netzwerk- und Kommunikationsgeräte, Stromversorgungsmodule und andere eingebettete Produkte.

Schaltnetzteilwandler werden häufig in tragbaren Systemen eingesetzt, um die Lebensdauer der Batterie zu maximieren. Sie können verwendet werden, um die Batteriespannung effizient zu senken (Buck) oder zu erhöhen (Boost). Schaltnetzteile sind mit Spannungsbetrieb, Strombetrieb und Konstantzeit-Regelungsarchitekturen erhältlich (Abbildung 1). Die Pulsweitenmodulation (PWM) und die Pulsfrequenzmodulation (PFM) gehören zu den Betriebsarten zur Steuerung der Ausgangsspannung. Die PWM bietet eine Regelung durch Anpassung des Ein/Aus-Zeitverhältnisses bei konstanter Schaltfrequenz, während die PFM ein festes Ein/Aus-Zeitverhältnis und eine variable Frequenz verwendet.

Abbildung 1: PWM-Gleichstromversorgungen können entweder im Spannungs- oder Strommodus betrieben werden, während PFM-Gleichstromversorgungen zeitkonstante Geräte sein können. (Bildquelle: Torex)

Was ist der Unterschied zwischen PWM und PFM?

Ein PWM-Wandler ist eine DC/DC-Leistungswandler-Architektur, die einen Festfrequenz-Oszillator zur Ansteuerung der Leistungsschalter und zur Energieübertragung vom Eingang zum Ausgang verwendet. Das verwendete Ansteuersignal ist in der Frequenz konstant, variiert jedoch in seinem Tastverhältnis (Verhältnis von Einschaltzeit des Power-FETs zur Gesamtschaltperiode). Die Taktfrequenz ist festgelegt und das Tastverhältnis wird auf der Grundlage der Betriebsbedingungen angepasst.

Eine Architektur, die eine variable Frequenz zur Ansteuerung von Leistungsschaltern in DC-DC-Leistungswandlern verwendet, wird als PFM oder "Pulsfrequenzmodulation" bezeichnet. Die Frequenz des Steuersignals wird direkt gesteuert, um die Ausgangsspannung zu regeln. DC/DC-Wandler mit Konstant-Ein-Zeit- oder Konstant-Aus-Zeit-Steuerung sind typische Beispiele für die PFM-Architektur.

Spannungssteuerung

Abbildung 2 zeigt einen Abwärtsleistungswandler mit Spannungsmodus-Steuerung. Diese Architektur verwendet einen einzigen Spannungsrückführungspfad. Die Fehlerspannung wird durch einen PWM-Komparator mit der Rampe verglichen, der den Steuerblock ansteuert, um ein PWM-Signal zur Steuerung des High-Side-Schalters zu erzeugen.

Abbildung 2: Abwärtsstromrichter mit Spannungsmodus-Steuerung. (Bildquelle: Torex)

Zu den Vorteilen der Steuerung im Spannungsmodus gehören:

• Weniger empfindlich gegen Rauschen als vergleichbare Strommodus-Steuerung
• Einzelne Rückkopplungsschleife erleichtert die Analyse
• Kann über einen großen Bereich von Eingangsspannungen und Arbeitszyklen betrieben werden

Zu den Nachteilen der Steuerung im Spannungsmodus gehören:

• Die Schleifenverstärkung ist proportional zur VIN
• Erfordert eine komplexe Kompensation
• Langsame Reaktion - Änderungen der Eingangsspannung werden am Ausgang erfasst
• Die Strombegrenzung muss separat erfolgen

Abbildung 3 zeigt einen Abwärts-Stromrichter mit Strommodus-Steuerung. Diese Architektur verwendet zwei Rückkopplungspfade zur Erfassung der Ausgangsspannung und des Induktionsstroms.

Abbildung 3: Abwärtsstromrichter mit Strommodus-Steuerung. (Bildquelle: Torex)

Zu den Vorteilen der Strommodus-Steuerung gehören:

• Schnelle Reaktion auf Leitungs- und Laständerungen
• Leichter zu kompensieren
• Strombegrenzung
• Vereinfachte Lastverteilung

Zu den Nachteilen der Strommodus-Steuerung gehören:

• Schwierigere Schaltungsanalyse, da es zwei Schleifen gibt
• Resonanzen in der Leistungsstufe können Rauschen in den inneren Regelkreis einführen¹
• Notwendigkeit einer Steigungskompensation

Abbildung 4 zeigt einen Abwärtsstromrichter mit Konstant-Ein-Zeit-Steuerung (COT). In der COT-Steuerungsarchitektur gibt es keinen Takt und die Frequenz kann variieren.

Abbildung 4: Abwärtsstromrichter mit Konstant-Ein-Zeit-Steuerung. (Bildquelle: Torex)

Zu den Vorteilen der COT-Modus-Steuerung gehören:

• Minimale Anzahl von externen Komponenten erforderlich
• Schnelles Einschwingverhalten
• Keine Kompensation erforderlich
• Guter Wirkungsgrad über einen großen Bereich von Lastbedingungen

Zu den Nachteilen der Strommodus-Steuerung gehören:

• Frequenzschwankungen
• Erfordert Ausgangswelligkeitsunterdrückung
• Empfindlich gegen Ausgangsrauschen
• Benötigt Überstromschutz

Der größte Nachteil der COT-Architektur ist die Variation der Frequenz, die elektromagnetische Interferenz (EMI) in empfindlichen Schaltungen in der Nähe des Reglers verursachen kann. Torex begegnet dieser Schwäche mit seiner proprietären HiSAT-COT-Control-Architektur. HiSAT-COT steht für High Speed Circuit Architecture for Constant On Time. Abbildung 5 zeigt den Vergleich zwischen COT und der HiSAT-COT-Control-Architektur von Torex.

Abbildung 5: Vergleich der HiSAT-COT-Geräte von Torex mit normalen COT-Wandlern. (Bildquelle: Torex)

Die HiSAT-COT-Steuerungsarchitektur ^{der 2.} Generation von Torex bietet einen Betrieb mit fester Frequenz und verbessert die Ausgabegenauigkeit. Abbildung 6 zeigt eine typische HiSAT-COT-Frequenzvariation im Vergleich zur Laststromkurve.

Abbildung 6: Frequenzvariation im Vergleich zum Laststrom für die Hi-SAT-COT-Geräte der ersten und zweiten Generation von Torex. (Bildquelle: Torex)

Im Vergleich zu herkömmlichen DC-DC-Produkten auf dem Markt erzeugt die HiSAT-COT-Steuerung ein ultraschnelles Einschwingverhalten, wie in Abbildung 7 dargestellt, und erfordert keine externe Kompensation. Es gibt eine ungefähr 6-fache Verbesserung, wenn die Last aufgebracht wird, und eine ungefähr 9-fache Verbesserung, wenn der Lastzustand entfernt wird.

Abbildung 7: Vergleich des Lasttransientenverhaltens zwischen einem Torex HiSAT-COT der zweiten Generation und einem Standard-PWM-gesteuerten Wandler. (Bildquelle: Torex)

Die HiSAT-COT-Steuerarchitektur ^{der 2.} Generation verbessert auch die Genauigkeit der Ausgangsgleichspannung. Dies wird durch eine überlegene temperaturkompensierte Spannungsreferenzschaltung erreicht, die eine Spannungsgenauigkeit von +/-1% FB (Frequenzbandbreite) über die Temperatur erreichen kann (Abbildung 8). Es besteht die Notwendigkeit, eine hohe Spannungsgenauigkeit bei niedrigen Spannungen aufrechtzuerhalten, da viele MPU-Lasten (Mikroprozessoreinheit) enge Eingangsspannungstoleranzen erfordern.

Abbildung 8: Typische Genauigkeit der Ausgangsspannung über der Frequenz für die HiSAT-COT-Geräte der ersten und zweiten Generation von Torex. (Bildquelle: Torex)

Torex hat kürzlich den XC9281/XC9282 angekündigt, eine neue Serie von HiSAT-COT-Steuerungen, extrem kleine 600-mA-Abwärts-DC-DC-Wandler. Die Bausteine arbeiten mit Eingangsspannungen von 2,5 V bis 5,5 V, wobei die Ausgangsspannung von 0,7 V bis 3,6 V einstellbar ist. Der Baustein verbraucht nur 11 µA Ruhestrom. Bei einer Schaltfrequenz von 6 MHz kann eine 0,47 µH-Induktivität mit einer Größe von 1,0 x 0,5 mm verwendet werden. Ein 0,6 x 0,3 mm großer Keramikkondensator kann für die Eingangskapazität (CIN) und die Ausgangskapazität (CL) verwendet werden. Die Verwendung dieser Komponenten führt zu einer Montagefläche einschließlich der peripheren Komponenten von nur 6,6 mm². (Abbildung 9)

Abbildung 9: Montagebereich der XC9281/XC9282-Geräte von Torex einschließlich der Peripheriekomponenten. (Bildquelle: Torex)

Tabelle 1 zeigt die ^zweite Generation der HiSAT-COT-Produkte von Torex.

Tabelle 1: Die zweite Generation der HiSAT-COT-Produkte von Torex. (Bildquelle: Torex)

Zusammenfassung

Designern, die Point-of-Load-Stromkreise entwerfen möchten, steht jetzt eine Familie von Torex-Produkten zur Auswahl. Diese Geräte verbessern die Effizienz über einen weiten Betriebsbereich. Durch den Betrieb bei hoher Schaltfrequenz und die Bereitstellung eines ultraschnellen Einschwingverhaltens reduziert die HiSAT-COT-Produktfamilie die Größe der Gesamtlösung durch die Reduzierung der Größe der Induktivität und des Ausgangskondensators.

Referenz

1. "Schaltnetzteil-Topologie Spannungsmodus vs. Strommodus", Robert Mammano, Unitrode, DN-62, Juni 1994.