Verwaltung und Anwendung von Stromversorgungen

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Titel: Schleifenanalyse - Mit TIA-Beispiel

Autor: EleCannonic

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Stromversorgung ist die wichtigste Komponente in allen elektrischen Systemen. Im Allgemeinen gibt es in einem System mehrere Stromversorgungen. Zum Beispiel kann in einem ADC eine analoge Spannung von 5V und eine digitale Versorgung von 3,3V erforderlich sein. Die am weitesten verbreiteten Topologien sind DC-DC-Wandler (Buck-Boost) und Low-Dropout-Regler (LDO).

1. Buck-Wandler

Ein Buck-Wandler wird verwendet, um eine niedrigere Spannungsversorgung zu erzeugen.

Klassische Buck-Topologie

Wenn der Schalter eingeschaltet ist, liefert Energie an die Spule, und der Strom fließt durch die Spule und die Last zur Masse. Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, fließt der Strom durch die Spule, die Last und die Diode, da sich der Strom in der Spule nicht abrupt ändern kann. Die Diode ist hier notwendig, da sie ausgeschaltet sein sollte, wenn der Schalter eingeschaltet ist, um einen Kurzschluss zu verhindern, aber eingeschaltet sein sollte, wenn der Schalter ausgeschaltet ist, um eine Schleife für die Spule bereitzustellen, die als Freilaufdiode bezeichnet wird.

Wenn der Schalter eingeschaltet ist,

und wenn der Schalter ausgeschaltet ist,

Wenn wir den Schalter mit einer bestimmten Frequenz und einem Tastverhältnis von ein- und ausschalten, kann als lineare Variation in einem kleinen Zeitintervall abgeschätzt werden.

Kombinieren und lösen:

Da , kann die Buck-Topologie nur verwendet werden, um die Spannung im positiven Spannungsbereich zu verringern.

Als Nächstes analysieren wir die Betriebsphasen. Während verbindet der geschlossene Schalter mit dem Stromkreis und bildet die Ladeschleife. speichert Energie in der Spule, während gleichzeitig der Ausgangskondensator geladen und die Last versorgt wird, was zu einem leichten linearen Anstieg des Spulenstroms führt. Umgekehrt öffnet sich während der Schalter, und die Spule, der Ausgangskondensator und die Diode bilden die Freilaufschleife (oder Ausgangsschleife). Die Spule liefert ihre gespeicherte magnetische Energie an die Ausgangsstufe, um aufrechtzuerhalten, was dazu führt, dass der Spulenstrom abfällt. Wenn Sie also ein Oszilloskop mit einer sehr hohen Abtastrate haben, messen Sie die Ausgabe wie folgt:

Welligkeit der Buck-Ausgabe

Auf dem Oszilloskop können Sie einige unerwartete AC-Komponenten sehen, deren Frequenz ungefähr der Schaltfrequenz entspricht. Diese AC-Komponente wird als Welligkeit bezeichnet. Die Welligkeit ist ein Hauptnachteil des Buck-Wandlers (und des Boost-Wandlers im folgenden Abschnitt). Schnellere Schaltungen erzeugen offensichtlich eine Welligkeit mit geringerer Amplitude, aber höherer Frequenz, während langsamere Schaltungen eine Welligkeit mit niedrigerer Frequenz, aber größerer Amplitude erzeugen.

Ein weiterer erheblicher Nachteil ist die elektromagnetische Interferenz (EMI). Während fließt Strom vom Eingangs-Entkopplungskondensator () durch den Schalter, die Spule und in den Ausgangskondensator () und die Last. Umgekehrt öffnet sich während der Schalter, wodurch der Spulenstrom den Schaltknoten negativ zieht, bis die Freilaufdiode einschaltet. Der Strom zirkuliert dann ausschließlich von der Diode durch die Spule und in und die Last. Während der Strom, der durch die Spule, und die Last fließt, kontinuierlich ist und nur sanft ansteigt und abfällt, schnappt der Strom, der durch den Eingangspfad und den Diodenpfad fließt, während jeder Schaltübergang sofort zwischen Null und dem vollen Laststrom. Daher enthält die Schleife, die ausschließlich aus dem Eingangskondensator (), dem High-Side-Schalter und der Freilaufdiode gebildet wird, die diskontinuierlichen, hoch-dI/dt-pulsierenden Ströme, was sie zur kritischen Hot Loop macht.

Gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz wird durch diesen schnell variierenden Strom eine elektromotorische Kraft (EMK) über die parasitären Induktivitäten induziert:

Wenn die Hot Loop eine große physikalische Fläche hat, wirkt die parasitäre Induktivität in den Leiterbahnen als Schleifenantenne, die starke abgestrahlte Magnetfelder und starke Hochfrequenzspannungsspitzen am Schaltknoten erzeugt. Um diese EMI an der Quelle effektiv zu unterdrücken, müssen , der Schalter und die Diode unmittelbar nebeneinander auf derselben Ebene der Leiterplatte platziert werden. Darüber hinaus sollten die Verbindungen zwischen diesen drei Komponenten mit kurzen, außergewöhnlich breiten Leiterbahnen oder Kupferflächen verbunden werden, um die Schleifenfläche so nah wie möglich an Null zu quetschen, während gleichzeitig eine solide, ununterbrochene Massefläche direkt unter dieser Schleife auf der unmittelbar nächsten Ebene vorhanden ist, um einen engen Rückweg zu bieten, der die Magnetfelder aufhebt.

Aus Sicht der Energieeffizienz wird die Hauptenergieableitung eines Buck-Wandlers durch Leitungsverluste aufgrund der parasitären Widerstände der Komponenten (wie dem Gleichstromwiderstand der Spule und dem Widerstand der Leiterbahnen) und Schaltverluste während der Ein- und Ausschaltübergänge dominiert. Da diese parasitären Verluste im Vergleich zum gesamten Durchsatz relativ gering sind, kann die Effizienz eines praktischen Buck-Wandlers leicht etwa 90 % erreichen.

2. Boost-Wandler

Im Gegensatz zu einem Buck-Wandler kann ein Boost-Wandler nur zur Erhöhung der Spannung verwendet werden.

Klassische Boost-Topologie

Ähnlich liefert während die Energie an den Ausgangskondensator und hält die Ausgangsspannung stabil.

Während wird durch den Schalterpfad (Kurzschluss zur Masse) isoliert. Die Ausgangsspannung wird durch die Ausgangskapazität aufrechterhalten. Und die Eingangsquelle liefert Energie an die Spule

Lösen

Ähnlich wie beim Buck-Wandler leidet auch ein Boost-Wandler unter Welligkeit und EMI. Im Boost-Stromkreis wird die Schleife -Spule-Schalter als Eingangsschleife bezeichnet, und der Schalter-Diode-Ausgangskondensator als Ausgangsschleife. In der Eingangsschleife wird die Stromänderung durch die Spule unterdrückt, während die Ausgangsschleife nichts zur Unterdrückung hat. Daher dominiert die Ausgangsschleife die EMI. Bei der Leiterplattenlayout sollte der Ausgangskondensator so nah wie möglich an den Anschlüssen platziert werden, um die physikalische Fläche der Ausgangsschleife zu minimieren.

Wenn Sie eine negative Spannung benötigen, aber Ihre Eingangsspannung eine einzelne positive ist, benötigen Sie den Buck-Boost.

Klassische Buck-Boost-Topologie

Sie können die Eingangs- und Ausgangsschleifen leicht erkennen. In der Eingangsschleife

In der Ausgangsschleife

Lösen

Sie entkommen immer noch nicht der Störung durch Welligkeit und EMI.

3. Anwendung mit MOS

In den meisten integrierten DC-DC-Wandlern werden der Schalter und die Diode durch MOSFETs ersetzt. Eine weitere Steuerlogik wendet PWM-Wellen auf die Gates der beiden MOS an. Im Allgemeinen wird der MOS, der den Schalter ersetzt, als “High-Side-MOSFET” bezeichnet, während derjenige, der die Diode ersetzt, als “Low-Side-MOSFET” bezeichnet wird.

Ein kombinierter Stromkreis ist unten dargestellt

Kombinierter Buck-Boost-Stromkreis

Wenn Q1 leitend und Q2, Q3 als Schalter und Q4 als Diode fungieren, dient der Stromkreis als Boost. Und wenn Q3 eingeschaltet und Q4 ausgeschaltet ist, wird er zu einem Buck. Die auf dem Markt verkauften Chips (nur Buck oder Boost) enthalten nur zwei der MOS.

Im Markt verkaufte Buck-Wandler-Struktur

Zwei kritische Pins sind als SW (Schaltknoten) und FB (Feedback) gekennzeichnet. Der SW-Pin bezeichnet den Leistungsknoten zwischen den High-Side- und Low-Side-MOSFETs, an dem die externe Leistungsspule angeschlossen werden muss. Der FB-Pin verbindet sich mit dem internen Steuerlogikmodul, um die Echtzeit-Ausgangsspannung zu überwachen. In den meisten Buck- und Boost-Wandlern regelt ein integriertes Steuerungsmodul automatisch die Schaltfrequenz und das Tastverhältnis basierend auf diesem Rückkopplungssignal, um eine stabile Ausgabe aufrechtzuerhalten.

Ein typisches Beispiel ist der TPS54302, ein von TI entwickelter Buck-Wandler. Im Datenblatt hat TI eine gut gestaltete Anwendungsschaltung bereitgestellt.

Anwendungsbeispiel des TPS54302

Alle Pins außer BOOT wurden zuvor analysiert. Dieser Pin löst ein kritisches Problem: Wenn der High-Side-MOSFET eingeschaltet wird, fließt die Eingangsspannung zu seinem Source-Anschluss, wodurch die Source-Spannung sich der Eingangsspannung annähert. Um den High-Side-MOSFET vollständig angeregt zu halten, muss am Gate eine Spannung größer als angelegt werden. Die Eingangsspannung ist jedoch typischerweise die höchste im gesamten System verfügbare Spannung. Um diese Einschränkung zu überwinden, wird der Bootstrap-Kondensator () verwendet, um eine höhere Spannungsversorgung zu erzeugen.

Wenn der High-Side-MOSFET ausgeschaltet wird und der Low-Side-MOSFET eingeschaltet wird, wird das untere Ende von über den SW-Knoten nach GND gezogen, wodurch die interne Stromversorgung auflädt, bis die Spannung über dem Kondensator die Versorgungsspannung erreicht. Nach kurzer Zeit, wenn der High-Side-MOSFET eingeschaltet und der Low-Side-MOSFET ausgeschaltet wird, wird das untere Ende von auf die SW-Knotenspannung angehoben, die sich nähert. Da sich die Spannung über dem Kondensator nicht abrupt ändern kann, wird die Spannung am BOOT-Pin auf ungefähr angehoben, was eine ausreichend hohe Spannung zur Versorgung des Gate-Treibers des High-Side-MOSFETs liefert.

Der Grund, warum hier kein PMOS verwendet wird, ist, dass PMOS bei gleicher Leistung eine größere Fläche einnimmt, da die Beweglichkeit von Elektronen zwei- bis dreimal so hoch ist wie die von Löchern.

Bootstrap-Schaltung

4. Low Dropout Regulator (LDO)

Ein LDO ist ein weiterer Typ von Power-Management-Schaltkreis, der nur zur Spannungsreduzierung geeignet ist. Ein LDO kann als variable Widerstand mit einer Rückkopplungsschleife betrachtet werden. Er verwendet einen Fehlerverstärker und einen NMOS, um diese Funktion auszuführen.

Klassische LDO-Topologie

Ein LDO hat keine Schalter im Chip, daher gibt es fast keine Schaltwelligkeit. Stattdessen wird die Regelung durch eine kontinuierliche negative Rückkopplungsschleife implementiert. Im Chip überwacht ein Fehlerverstärker kontinuierlich die skalierte Ausgangsspannung von den Rückkopplungswiderständen und vergleicht sie mit einer internen Referenzspannung. Wenn die Rückkopplungsspannung die Referenz leicht überschreitet, passt der Fehlerverstärker nahtlos die Gate-Spannung des Leistungs-MOSFETs (wie z. B. ein NMOS-Pass-Element) an und erhöht sanft seinen äquivalenten Kanalwiderstand. Diese kontinuierliche Anpassung erhöht den Spannungsabfall über dem MOSFET und zieht die Ausgangsspannung sofort auf den Zielwert zurück. Durch diesen analogen linearen Rückkopplungsprozess wird die Ausgangsspannung perfekt stabilisiert, ohne hochfrequentes Schaltrauschen einzuführen. Da die Rückkopplungswiderstände typischerweise außerhalb des Chips platziert sind, können wir ihre Werte auswählen, um die gewünschte Ausgangsspannung zu konfigurieren.

Wir bezeichnen den Widerstand zwischen FB und als und den anderen als . Wir sollten die Gleichgewichtsspannung am FB-Pin mit der internen Referenzspannung gleichsetzen, also

Umkehren der Gleichung,

Beachten Sie, dass der MOSFET im Hauptstrompfad eine minimale Spannungs-Headroom benötigt, um in seiner aktiven leitenden Region zu bleiben, was die minimale Eingangs-zu-Ausgangs-Spannungsdifferenz bestimmt, die als Dropout-Spannung bekannt ist. Diesen kritischen Parameter finden Sie im Datenblatt.

Ein inhärenter Nachteil von LDOs ist ihre geringe Effizienz bei großen Spannungsunterschieden. Im Chip stammen die dominanten Energieverluste nicht aus dem Ruhestrom der Steuerschaltung, sondern aus der Leistungsableitung über dem internen Pass-MOSFET selbst. Da der gesamte Laststrom durch diesen Transistor fließt, fällt er die überschüssige Spannung () ab und wandelt diese Energie vollständig in Wärme um. Außerhalb des Chips bieten die Rückkopplungswiderstände einen weiteren Pfad von der Ausgangsspannung zur Masse. Ingenieure wählen jedoch bewusst große Widerstandswerte, um übermäßigen Stromverlust auf diesem Pfad zu vermeiden und gleichzeitig eine hohe Impedanz für eine präzise Spannungsmessung zu gewährleisten, wodurch der Rückkopplungsschleifenverlust vernachlässigbar wird.

Da der Rückkopplungsstrom und der interne Ruhestrom klein genug sind, um vernachlässigt zu werden, ist der Eingangsstrom praktisch identisch mit dem Ausgangsstrom. Somit ist die Effizienz eines LDO eng durch das Spannungsverhältnis begrenzt:

Der Rest der elektrischen Energie wird vollständig als Wärme im Gehäuse abgeführt. Daher sind LDOs nicht für Anwendungen mit großer Dropout-Spannung in Kombination mit hohen Lastströmen geeignet, da die übermäßige thermische Belastung das Gerät schnell überhitzen kann.

Trotz des Effizienznachteils übertreffen LDOs Buck-Wandler in fast allen anderen Leistungsmetriken und bieten extrem niedrige Ausgangswelligkeit, keine Schalt-EMI und eine hervorragende Transientenantwort. Folglich werden sie in praktischen Stromversorgungssystemen häufig kombiniert, um sowohl hohe Effizienz als auch hohe Reinheit zu erzielen. Wenn das System beispielsweise eine saubere, rauschfreie 12V-Versorgung aus einer niedrigeren Eingangsspannungsquelle benötigt, wird zuerst ein Boost-Wandler verwendet, um die Spannung effizient auf etwa 13V oder 14V zu erhöhen. Dann wird ein LDO kaskadiert, um die Spannung auf 12V zu reduzieren und präzise zu stabilisieren. Diese Architektur ermöglicht es dem LDO, die vom Boost-Wandler stammende Hochfrequenz-Schaltwelligkeit effektiv zu unterdrücken und eine außergewöhnlich ruhige und hochwertige Stromschiene für empfindliche Analogschaltungen bereitzustellen.

Referenz

[1] B. Razavi, “The Design of An LDO Regulator,” IEEE Solid-State Circuits Magazine, vol. 14, no. 2, pp. 7-11, Spring 2022, doi: 10.1109/MSSC.2022.3164746.
[2] TPS54302 4.5V to 28V Input, 3A Output, EMI-Friendly Synchronous Step-Down Converter Datasheet, Texas Instruments Incorporated, Doc. No. SLVSDG6C, May 2016, Revised March 2026.
[3] “Considerations on bootstrap circuitry for gate drivers,” STMicroelectronics, Geneva, Switzerland, Application Note AN5789, Rev. 1, Mar. 2022.