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Neues Tool für Systementwickler: Fünf schnelle Schritte

Die Anzahl der Versorgungsspannungen auf Systembaugruppen steigt ständig. Daher müssen Systemingenieure immer häufiger getaktete Stromversorgungen entwickeln und optimieren. Ein Tool verspricht in fünf schnellen Schritten eine gute Lösung.

Linear Technology Bildquelle: © Valeriy Velikov - Fotolia

Stromversorgungen für eine Systembaugruppe zu entwickeln, ist eine komplexe Aufgabe. Nachdem die Spezifikation der Stromversorgung definiert ist, muss der Entwickler zuerst eine Wandlertopologie auswählen, zum Beispiel einen Abwärtswandler (Buck), um Spannungen zu verringern, oder einen Aufwärtswandler (Boost) für höhere Spannungen. Als Nächstes muss er ein Power-Management-IC auswählen, entweder basierend auf Erfahrung oder mit webbasierten Suchwerkzeugen. Danach hat der Entwickler die Werte der Leistungskomponenten basierend auf seinem Wissen oder den Gleichungen in den Datenblättern der Hersteller auszuwählen. Es folgt die Wahl der Leistungskomponenten wie Spulen, Kondensatoren und MOSFETs aus tausen­den verfügbaren Bauteilen. Dann sind Wirkungsgrad und die Leistungsverluste der Stromversorgung zu bestimmen und gleichzeitig zu gewährleisten, dass der ther­mische Stress für die Komponenten noch akzeptabel ist. 

Aber das ist noch nicht das Ende der Geschichte – die Regelschleife zu dimensionieren ist eine weitere herausfordernde Aufgabe, da diese Schaltung komplex zu modellieren ist und Parameter benötigt werden, die häufig nicht im Datenblatt stehen. Schließlich muss noch der Schaltplan gezeichnet und die Prototypbaugruppe in die Produktion geschickt werden. Nun ist es für den Entwickler an der Zeit, die Baugruppe einzuschalten, um sicher zu sein, dass die Ausgangsspannung nicht oszilliert oder die Baugruppe überhitzt.

Dieser Entwicklungsablauf ist eine herbe Herausforderung für einen unerfahrenen Stromversorgungsentwickler. Aber selbst für erfahrene Stromversorgungsdesigner sind die konventionelle Methode der »Papierentwicklung« und die Trial-and-Error-Methode zeitaufwendig und schwierig, optimale Ergebnisse sind nicht garantiert. Diese Methode dauert Stunden, Tage oder länger.

Linear Technology Bildquelle: © Linear Technology

Bild 1: Entwicklungsschritt 1 – Suche nach einer vorhandenen Lösung.

Um dem Anwender Zeit und Aufwand zu ersparen und dennoch eine qualitativ hochwertige Lösung zu erreichen, hat Linear Technology das Entwicklungswerkzeug ­»LTpowerCAD« geschaffen. Dieses bietet einen systematischen Weg, um die Schlüsselparameter einer Stromversorgung in fünf Schritten festzulegen: 

Eingeben der Spezifikationen der Stromversorgung und Auswahl einer Lösung;

ptimieren der Komponenten der Leistungsstufe mit Hilfe automatischer Warnungen;

Optimieren des Wirkungsgrads und der Leistungsverluste der Stromversorgung;

Entwickeln der Schleifenkompensation und optimieren des Lasteinschwingverhaltens;

Erstellen eines zusammenfassenden Berichts mit Bestimmung der Stückliste und Leiterplattengröße.


In der Lösungsbibliothek von »LTpowerCAD« gibt es viele bestehende Designbeispiele wie Demo-Boards und Datenblattschaltungen von Linear Technology. Anwender können solche Lösungen nutzen und sie als schnelle Starthilfen für künftige Stromversorgungsdesigns verwenden. Mit diesem Tools können sie auch selbst entwickelte Schaltungen abspeichern und so ihre eigene Bibliothek aufbauen. Darüber hinaus lässt sich ein in LTpowerCAD erstelltes Design für die Simulation in »LTspice« [1] exportieren, um die Signalformen der Stromversorgung im Zeitbereich und das Verhalten bei Stör­signalen zu prüfen. 

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Bild 2: Entwicklungsschritt 2 – Seite zur Entwicklung der Leistungsstufe mit Schaltplan und Schlüsselwerten der Parameter.

Beispieldesign Abwärtswandler 

Betrachten wir nun im Detail die Designschritte von LTpowerCAD anhand eines Beispiels: Es sei eine Stromversorgung auf einer Baugruppe mit einem Eingangsspannungsbereich von 10,8 V bis 13,2 V (12 V ±10 %) und einem Ausgang von 1,0 V mit bis zu 20 A Strom zu entwickeln. Diese Aufgabe erledigt üblicherweise ein synchroner Abwärtswandler.

Der erste Schritt besteht darin, ein geeignetes Leistungs-IC oder Modul zu finden. Diese Wahl kann aufgrund bisheriger Erfahrungen oder mit einer Lösung aus der LTpowerCAD-Bibliothek erfolgen. Wie in Bild 1 gezeigt, kann der Anwender auf der Auswahlseite von LTpowerCAD die Spezifikationen der Stromversorgung eingeben, optionale Eigenschaften auswählen und dann die Schaltfläche »Search« drücken. Danach kann er das Bauteil aus der Liste auswählen, die ihm das Programm anbietet.

In Bild 1 sind ganz links in der Liste mit IC-Vorschlägen rote Linear-Tech-Logos oder grüne Excel-Symbole zu sehen. Die roten Logos bedeuten, dass bereits ein LTpowerCAD-Entwicklungswerkzeug für dieses Bauteil vorhanden ist, bei den grünen Excel-Symbolen ist ein auf Excel basierendes Tool verfügbar. Sind beide Symbole grau, bedeutet dies, dass es noch kein Entwicklungswerkzeug für diesen Baustein gibt. In unserem Beispiel wählen wir für die Stromversorgung mit 12 V auf 1 V/29 A am Ausgang den Abwärtswandler »LTC3833« aus. Das Entwicklungswerkzeug startet durch Klicken auf das rote Linear-Tech-Logo.

Der zweite Schritt besteht darin, die Komponenten für die Leistungsstufe zu entwickeln und auszuwählen: Spule, Ein- und Ausgangskondensatoren, Strommesskomponenten sowie Leistungs-MOSFETs. Um die Stromversorgung zu entwickeln, muss ein Anwender üblicherweise mit der Schaltfrequenz fSW beginnen, dann die Spule wählen und erst danach die Eingangs- und Ausgangskondenstoren. Die Leistungs-MOSFETs kann er im dritten Schritt aussuchen und optimieren.

Ist das Entwicklungswerkzeug geöffnet, wird die Hauptseite mit dem Schaltplan und den Werten der Designparameter neben den Schlüsselkomponenten angezeigt (Bild 2). Auf dieser Seite sind die Designwerte in den Zellen (Textboxen) mit zwei unterschiedlichen Hintergrundfarben dargestellt. Gelb zeigt, dass der Wert in der Zelle entweder von den Design-Spezifikationen stammt, oder von ­LTpowerCAD berechnet wurde beziehungsweise empfohlen wird. Ein Anwender kann diese Werte nicht direkt bearbeiten. Blau sind die Werte, die der Anwender ändern kann.

Linear Technology Bildquelle: © Linear Technology

Bild 3: Entwicklungsschritt 3 – Optimieren von Wirkungsgrad und Leistungsverlusten.

Für Schlüsselparameter, etwa die Stromwelligkeit in der Spule, enthält das Programm für jedes Bauteil Grenzwerte. Wenn ein vom Anwender vorgegebener Wert diese Grenzen verletzt, warnt das Programm, indem es entweder eine orange, »weichere« Warnung oder eine rote, »härtere« Warnung ausgibt. Der Anwender muss den Wert überprüfen und das Design entsprechend anpassen. Die Werte der eingebauten Grenzen beziehungsweise Warnungen sind Empfehlungen, welche Experten bei Linear Technology für das entsprechende Produkt gesetzt haben. Es ist jedoch anzumerken, dass dies eine analoge Lösung ist: Deshalb kann es manchmal akzeptabel sein, ein Design trotz Warnungen zu verwenden, solange diese der Anwender versteht und sich mit den gewählten Werten sicher fühlt.

Auf der Schaltplanseite von LTpowerCAD können die Anwender alle Power-Komponenten wie Spulen, Kondensatoren und MOSFETs aus der integrierten Bibliothek mit einem Mausklick auswählen (Bild 2). Derzeit sind über 5000 Komponenten von vielen Anbietern enthalten, wobei regelmäßig neue Komponenten hinzukommen. Die Anwender können aber auch die Schlüsselparameter neuer Komponenten eingeben und damit ihre eigene Komponentenbibliothek auf lokalen PCs aufbauen. In unserem Abwärtswandler-Beispiel ist die Schaltfrequenz auf 500 kHz eingestellt. Deshalb ist ein Spulenwert von 0,228 µH berechnet, um eine Welligkeit des Spulenstroms IL(Ripple) von 40 Prozent (Spitze zu Spitze) um den Mittelwert (DC) herum zu erreichen. Aus der Bibliothek wurde eine Spule mit 0,22 µH mit 1,1 mΩ ausgewählt. Unser Beispiel nutzt den Kupferwiderstand der Spule DCR1 zur Strommessung. Die Werte des stromfühlenden Netzwerks sind auf ein sauberes Mess­signal und die Strombegrenzung hin zu überprüfen. Das Programm warnt automatisch, wenn das Messsignal zu schwach ist, was potenziell Probleme im Hinblick auf das Signal/Rausch-Verhältnis ergibt, oder wenn der Schwellwert der Strombegrenzung niedriger als der Zielwert ist. Die Eingangskondensatoren sollten nur minimale Leitungsverluste beim mittleren Gleichstrom (Effektivwert, RMS) haben, während die Ausgangskondensatoren die Spannungswelligkeit sowie das Über- und Unterschwingen bei Spannungsspitzen minimieren. Ihre Werte werden später bei der Dimensionierung der Regelschleife und der Optimierung im Hinblick auf Lasttransienten endgültig festgelegt. Als Nächstes kommen die Leistungs-MOSFETs an die Reihe. 

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Bild 4: Automatsche Warnungen führen den Anwender zu geeigneten Werten für das Design.

Abwärtswandler optimieren 

Nun geht es darum, den Wirkungsgrad und die Leistungsverluste durch Klicken auf den Reiter »Loss Estimation and Break Down« zu optimieren (Bild 3). Nachdem der Anwender die MOSFETs gewählt und die Bildschirmtaste »Update« gedrückt hat, gibt das Programm den Wirkungsgrad und die Verluste abhängig vom Laststrom für eine gegebene Eingangsspannung aus, die mit dem VIN-Schieber verändert werden kann. Mit dem Kuchendiagramm kann ein Anwender detailliert analysieren, wo welche Verluste auftreten, und dadurch den Einfluss der Designparameter und Komponenten verstehen und einstellen. So kann er bestimmte Verluste senken und den Wirkungsgrad insgesamt optimieren. Die Verlustleistung bestimmt LTpowerCAD mithilfe vieler Komponentenmodelle und Gleichungen. Die Gesamtverluste ent­halten die einzelnen Beiträge von Leistungs-MOSFETs, Spulen, Kondensatoren und IC-Gate-Treibern. Um schnell Ergebnisse zu liefern, nutzt das Tool vereinfachte Verhaltensmodelle anstelle komplizierter physikalischer Modelle. Die AC-Verluste von Spulen sind in in LTpowerCAD noch nicht modelliert, Nutzer haben aber die Option, diese Werte per Hand einzugeben. Daher kann der per Simulation bestimmte Wirkungsgrad um einige Prozentpunkte höher liegen als der reale Wirkungsgrad der Hardware. Dennoch kann dieses Werkzeug schnell bei der Komponentenauswahl und dem Vergleich verschiedener Möglichkeiten helfen, besonders bei Spule und Leistungs-MOSFETs.

Der nächste Schritt besteht darin, die Regelschleife zu entwickeln und zu optimieren sowie eine gute Stabilität bei Laständerungen zu gewährleisten. Dies gilt häufig als eine der herausforderndsten Aufgaben bei der Entwicklung von Stromversorgungen. Dazu wählt man den Reiter »Loop. Comp & Load Trasient« (Bild 4). Das Bode-Diagramm der Schleifenverstärkung lässt sich in Echtzeit justieren, um die gewünschte Bandbreite und die gewünschte Phasenreserve der Regelschleife zu erreichen, indem die RC-Werte der Kompensation eingestellt werden. Die Entwicklungskonzepte der Regelschleife sind in [2] erläutert. Für einen Schaltwandler wird üblicherweise empfohlen, über 45° oder sogar 60° Phasenreserve bei der Durchtrittsfrequenz (0 dB Verstärkung) und mindestens 8 dB Dämpfung bei der halben Schaltfrequenz fSW einzustellen. Es gibt verschiedene Schaltflächen einschließlich einer für das Ausgangsimpedanzdiagramm der Stromversorgung, um dem Anwender mehr Details über das Schleifendesign an die Hand zu geben. Die Darstellung des Diagramms der Lasttransienten (Bild 4, rechter Teil) dient zur anwenderdefinierten Einstellung der Größe der Lastschritte und der Anstiegszeit des Stroms. Die Anwender können Diagramme für ein bestimmtes Design »einfrieren« und dann die Werte oder die Komponentenauswahl abändern und mit einem alternativen Design vergleichen, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

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Bild 5: Entwicklungsschritt 5 – Zusammenfassung, Stückliste und Ausmaße der Entwicklung.

Um die vorgegebenen Bedingungen des Einschwingverhaltens auf Lastschritte (Schrittweite und Anstiegsrate des Laststroms) und die Grenzwerte für Über- und Unterschwingen der Ausgangsspannung einzuhalten, kann der Nutzer die Regelschleife justieren, um deren Bandbreite, Stabilität und Einschwingverhalten zu prüfen. Wenn das Einschwingverhalten den Zielvorgaben nicht entspricht, kann der Anwender die Ausgangskondensatoren vergrößern und die Regelschleife neu justieren, bis das Entwicklungsziel erreicht ist. Da die Diagramme des Einschwingverhaltens in LT­powerCAD aus kleinen Signalmodellen stammen, reagieren sie schnell, sind aber nur eine Annäherung erster Ordnung. Deshalb ist es erforderlich, ausreichend Design­margen (20 bis 30 Prozent) zu berücksichtigen.

Um die Genauigkeit der Regelschleife zu garantieren, wurde jedes der LTpowerCAD-Entwicklungswerkzeuge vor der Freigabe bei Linear Technology von Ingenieuren auf den Standard-Demoboards des Unternehmens mit Messungen der Regelschleife verifiziert. Im Design eines Anwenders kann das Ergebnis jedoch durch Variationen der parasitären Werte von Komponenten beeinflusst werden, zum Beispiel von nicht akkuraten ESR-Werten des Kondensators. Anwender müssen deshalb ihr endgültiges Design mit einem Prototypentest überprüfen.

Der letzte Schritt des Schaltungsentwurfs ist der Aufruf des Reiters »Power Design Summary«: dort erwartet die Anwender eine Zusammenfassung der Eigenschaften (Bild 5) und auch eine kurze Stückliste der Leistungskomponenten sowie eine grobe Bestimmung der Flächenbelegung all dieser Komponenten. Diese Zusammenfassung kann auch ausgedruckt werden.

Es gibt einen weiteren (optionalen) Schritt, um das LTpowerCAD-Design für eine Echtzeitsimulation in ein LTspice-Simulationsdatei zu exportieren. Damit lässt sich der eingeschwungene Zustand sowie das Einschwingverhalten detailliert überprüfen. Dies kann durch Klicken auf den LTspice-Bildschirmtaster unter dem Reiter »Power Stage Design« von LTpowerCAD erfolgen (Bild 2), um so die Schlüsselparameter in eine LTspice-Simulationsschaltung zu exportieren. 

Bibliothek voller Lösungen 

Die Bibliothek mit LTpowerCAD-Designs ist ein Bestandteil, der dem Anwender helfen soll, schnell mit guten Ergebnissen zu einem finalen Design zu gelangen. Nutzer können über die Schaltfläche »Solutions Library« viele Designs für bestimmte Produkte von Linear Technology finden. Diese Entwicklungen können Standard-Demoboards von Linear Technology, Datenblattschaltungen und Referenzdesigns sein. Viele davon sind im Labor getestet und verifiziert, sodass der Anwender eine Entwicklung mit einem der erprobten Beispiele beginnen kann. Darüber hinaus können die Nutzer ihre Designs abspeichern und eine Bi­bliothek mit Anwendungen für den künftigen Gebrauch aufbauen.

»LTpowerCAD« ist ein Programm für Windows-PCs. Anwender können es kostenfrei herunterladen und auf ihrem lokalen PC installieren. Verglichen mit einem webbasierten Tool kann LTpowerCAD sämtliche Fähigkeiten und Ressourcen eines leistungsfähigen, lokalen PCs nutzen, ohne dabei von gemeinsam genutzten Internet- und Computer-Ressourcen oder Problemen mit der Datensicherheit eingeschränkt zu sein. Nach der Installation benötigen Anwender nur noch eine Internet-Verbindung, um das Programm nutzen zu können. Der Anwender kann regelmäßig die Schaltfläche »Sync Release« auf der Startseite des Programms drücken, um ohne eine Neuinstallation von LTpower- CAD nach Programmaktualisierungen zu suchen wie neue Werkzeuge und Funktionen.

Literatur 

[1] LTspice: www.linear.com/LTspice

[2] H. Zhang, »Modeling and Loop Compensation Design of Switching Mode Power Supplies«, Linear Technology, Application Note AN149 cds.linear.com/docs/en/application-note/AN149f.pdf

[3] H. Zhang, »Basic Concepts of Linear Regulator and Switching Mode Power Supplies«, Linear Technology, Application Note AN140, cds.linear.com/docs/en/application-note/AN140fa.pdf

[4] LTpowerCAD-Blog unter www.linear.com/LTpowerCAD

Linear Technology Bildquelle: © Linear Technology

Henry Zhang ist Bereichsleiter fürs Power Application Engineering bei Linear Technology.