Dieser Artikel beschreibt, wie in einer Master/Slave-Konfiguration mit Phasenverschiebung mehrere DC/DC-Abwärtsregler zeitverzögert synchronisiert werden können. Eine Phasenverschiebung bei mehreren Wandlern verhindert eine Überlappung des Tastverhältnisses und reduziert die Anforderungen an den Wirkstrom, die Welligkeit und den Eingangskondensator.

DC/DC-Wandler wie der ISL8018 von Intersil bieten eine kostengünstige Lösung für störempfindliche Anwendungen – insbesondere für solche, die Audioschaltungen enthalten. Durch die Verwendung mehrerer POL-DC/DC-Wandler in einer Master/Slave-Konfiguration mit Phasenverschiebung können Entwickler ihr Netzteildesign mit geringeren Anforderungen an RMS-Strom, Welligkeit und Eingangskondensator optimieren.

In den meisten Anwendungen mit Abwärtswandlern, die mehrere Ausgangsspannungen erfordern, die über einen einzigen Eingang geregelt zur Verfügung stehen sollen, können Schaltregler beispielsweise einen hohen Eingangseffektivstrom und Rauschen am Lastpunkt (POL; Point of Load) erzeugen in FPGAs, DSPs und Bring-in-Mikroprozessoren. Um dies zu verhindern, verwenden Entwickler umfangreiche Eingangsfilter, um leitungsgebundene elektromagnetische Störungen (EMI) und / oder abgestrahlte EMI zu reduzieren und I2R-Systemverluste besser zu regulieren.

Eine weitere technische Herausforderung bei Systemen mit Audioverstärkern ist die Schwebungsfrequenz. Dies ist die Frequenzdifferenz zwischen den schaltenden DC/DC-Wandlern des Netzteils. Wenn die Schwebungsfrequenzen zwischen 100 Hz und 23 kHz liegen, kann der Audioverstärker sie erkennen und die Systemleistung beeinträchtigen. Abbildung 1 zeigt, dass Umrichter 1 als Master fungiert, der die eingestellte Frequenz für die restlichen Slave-Umrichter bereitstellt.

Abb. 1: DC/DC-Wandler ISL8018 in einer Master/Slave-Konfiguration. Intersil

Abbildung 2: Vergleich von dreiphasigen DC/DC-Wandlern, die gleich- und phasenverschoben betrieben werden. Intersil

Das Synchronisieren mehrerer DC/DC-Wandler ist einfach und unkompliziert, aber die Programmierung der Phasenverschiebung kann eine Herausforderung darstellen. Vergleichen wir DC/DC-Wandler, die gleichphasig und phasenverschoben konfiguriert sind (Abbildung 2). Beide Designs sind dreiphasig, um einen Ausgangsstrom von 24 A bereitzustellen. Bei Bedarf können für höhere Ströme weitere Phasen hinzugefügt werden. Jeder Wandler ist für 8 A Strom optimiert. Die Konfiguration auf der linken Seite arbeitet in Phase; Im rechten Design ist jede Phase um 120° verschoben. Die drei Wandler auf der linken Seite haben eine Spitzen-Eingangswelligkeit von 24 A (3 × 8 A) bzw. 12 Aeff bei 50 % Duty Cycle. Die drei phasenverschobenen rechten Wandler werden mit 8 A bzw. 4,3 Aeff bei 50 % Duty Cycle betrieben.

Wie erwähnt reduziert eine Phasenverschiebung die Anforderungen an die Eingangs- und Ausgangskondensatoren. Der effektive Eingangsstrom wird durch Gleichung 1 bestimmt:

Abbildung 3: Das Diagramm zeigt den Verlauf von ΔIIN_eff (n, D) über dem Tastverhältnis. Intersil

Wobei n die Anzahl der Phasen ist; L ist die Ausgangsinduktivität; Fs ist die Schaltfrequenz und k (n, D) = Rundung (n, D). Die Rundungsfunktion liefert die größte ganze Zahl kleiner oder gleich dem Eingabewert.

Bild 3 zeigt die Kurve ΔIIN_eff (n, D) über dem Tastverhältnis.

Tabelle 1: Leistungsvergleich der Konverter. Intersil

Tabelle 1 listet den zusammengefassten Leistungsvergleich der drei phasen- oder phasenverschobenen Umrichter auf.

Auf der nächsten Seite lesen Sie, wie Sie ein einfaches und kostengünstiges Verfahren für einen phasenverschobenen Betrieb implementieren.

Ein synchroner Abwärtsregler wie der ISL8018 bietet eine einfache und kostengünstige Methode, um einen phasenverschobenen Betrieb zu implementieren. Die SYNCHOUT-Funktion des Master-Schaltreglers liefert mit jedem Taktzyklus einen Stromimpuls, ISYNC. Die Stromquelle stoppt und entlädt sich auf 0 V, nachdem sie die 1 V SYNCHOUT-Spannung erreicht hat. Die SYNCIN-Funktion der Erkennungsschwelle des Folgereglers beträgt 0,9 V. Erreicht jede steigende SYNCIN-Flanke die Spannung 0,9 V, wird der EIN-Impuls der PHASE ausgelöst. Durch einfaches Hinzufügen eines kleinen, kostengünstigen Kondensators zu Masse (GROUND) über SYNCIN ändert sich die SYNCHOUT-Flankensteilheit der Stromquelle.

Abbildung 4 zeigt die Master/Slave-Schaltung, Abbildung 5 die entsprechende Logikimplementierung. Die Phasenverschiebungszeit (t in ns) beträgt 2,8 · CPHASE in pF.

Die Implementierung der Stromquelle ist einfach und erfordert nur 70 mil2 Chipfläche. Die Stromquelle kann so eingestellt werden, dass eine Toleranz von ± 5 % erreicht wird. Der SYNCIN-Schwellenwert kann auch auf ± 0,5 % getrimmt werden. Die erforderliche Kapazität liegt im pF-Bereich und kann mit einem kostengünstigen Keramikkondensator mit NPO- oder C0G-Dielektrikum mit einer engen Toleranz von ± 1% bereitgestellt werden. Daher beträgt die Phasenverschiebungstoleranz etwa 5,12 %.

Der ISL8018 kann über einen Master oder eine externe Clock synchronisiert werden. Diese Funktion ist erforderlich, wenn mehrere Controller in unmittelbarer Nähe zueinander arbeiten. Abbildung 6 zeigt die Wandler 1 und 2, die mit den Frequenzen f1 bzw. f2 arbeiten. Am Eingang wird die Schwebungsfrequenz (fb) angelegt (die Differenz zwischen f1 und f2). Wenn keine Isolation vorhanden ist, tritt fb in Masse (GROUND) auf. Die Ausgabe kann wie in Abbildung 7 dargestellt aussehen, wobei die Hüllkurve der Schwebungsfrequenz entspricht.

Normalerweise ist die Schwebungsfrequenz sehr niedrig, insbesondere wenn derselbe Wandler für mehrere Schienen verwendet wird. Dieses niedrige fb erscheint dann im gesamten System. In Computer-, Telekommunikations-, Industrie- oder medizinischen Anwendungen, die mit Audiofunktionen ausgestattet sind, nimmt der Audioverstärker des Systems das Schwebungsfrequenzrauschen auf. Das Hinzufügen eines Gleichtakt- oder Gegentakt-Rauschfilters erhöht die Systemkosten.

Die SYNC-Funktion des DC/DC-Wandlers ISL8018 kann auch das Schwebungsfrequenzproblem lösen, indem mehrere Wandler verwendet werden, die mit dem gleichen Takt arbeiten. Dadurch wird fb gleich 0 Hz, wodurch die Schwebungsfrequenz im gesamten System eliminiert wird.

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