Spannungsversorgungen sind für die meisten elektronischen Schaltungen ein notwendiges Übel. Sie sind unbedingt erforderlich, haben üblicherweise aber nur eine unterstützende Funktion. Die wesentliche Entwicklungsarbeit soll möglichst in die Kernfunktion einer Schaltung fließen und nicht in die Erstellung einer passenden Spannungsversorgung. Deshalb gibt es für die Spannungsversorgungsentwicklung verschiedene Berechnungs- sowie Simulationswerkzeuge von verschiedenen Herstellern. Viele dieser Entwicklungswerkzeuge werden von den Herstellern von Spannungsversorgungs-ICs angeboten und sind kostenfrei zu nutzen. Im Folgenden eine Auflistung der unterschiedlichen Werkzeuge für die Entwicklung von Spannungsversorgungen.
LTpowerPlanner
Mit diesem Werkzeug werden Architekturen von Spannungsversorgungen erstellt. Üblicherweise wird in einem System nicht nur eine einzige Versorgungsspannung benötigt, sondern mehrere. Der erste Schritt im Spannungsversorgungsentwurf ist die Erstellung einer geeigneten Architektur. Sollen alle benötigten Spannungen direkt von der verfügbaren Spannungsquelle erzeugt werden, oder muss eine Zwischenkreisspannung erzeugt werden. LTpowerPlanner hilft bei der Erstellung einer optimierten Architektur der Spannungsversorgung.
LTpowerCAD
Nach der Erstellung der Architektur müssen einzelne Spannungswandler entworfen werden. Hierzu eignen sich Berechnungstools wie beispielsweise LTpowerCAD. In diese Werkzeuge werden die Anforderungen wie beispielsweise Eingangsspannungsbereich, Ausgangsspannung und Ausgangsstrom eingegeben. Das Tool führt Schaltungsberechnungen aus und schlägt eine optimierte Schaltung vor.
LTspice
Nach der erfolgreichen Berechnung der Spannungsversorgung wird die Schaltung mit LTspice simuliert. Bei dieser Simulation kann die Regelschleifenstabilität optimiert werden und es können noch weitere Schaltungsteile an die mit LTpowerCAD berechnete Schaltung hinzugefügt werden.
Nach erfolgreicher Entwicklung der Spannungsversorgung muss diese unbedingt getestet werden. Auch die besten Schaltungsberechnungen und Simulationen sind nur so gut wie die verwendeten Formeln und Modelle. Einige parasitäre Einflüsse können nicht einfach vorhergesehen werden und müssen im Labor evaluiert werden. Hierzu ist viel Messtechnik erforderlich und für die Arbeit im Labor wird viel Zeit beansprucht. Die wesentlichen Evaluierungen im Labor sind Lasttransiententests, Stabilitäts- und Regelschleifenmessungen sowie Effizienzmessungen.
LTpowerAnalyzer
Um nicht nur den Entwurf einer Spannungsversorgung zu erleichtern, sondern auch die Evaluierungsarbeit im Labor, hat Analog Devices den LTpowerAnalyzer entwickelt. Er ist auf der Webseite von Analog Devices verfügbar und kann bestellt werden. Er wurde entwickelt, um auf sehr einfache Art und Weise optimale Bode-Diagramme der Regelschleife zu messen. Ein Injektionstransformator ist integriert, mit welchem über einen weiten Frequenzbereich ein kleines, einstellbares, Sinussignal in die Regelschleife injiziert wird. Die Veränderung der Amplitude durch die Regelschleife zeigt die Verstärkung bei unterschiedlichen Frequenzen und der Phasenversatz bietet Informationen zur Phasenreserve.
Nach einer kleinen Modifikation der zu testenden Spannungsversorgung kann der LTpowerAnalyzer angeschlossen werden und in wenigen Minuten ist durch die mitgelieferte Software ein Bode-Diagramm der Regelschleife erstellt.
Sollte das gemessene Bode-Diagramm nicht den Vorstellungen entsprechen, muss das Kompensationsnetzwerk angepasst werden dieses besteht im Wesentlichen aus einem Kondensator und Widerstand angeschlossen am Kompensationspin. Dieser Pin wird als Ith, Vc oder Vcomp bezeichnet. Üblicherweise sind hier umfangreiche Lötarbeiten nötig, um unterschiedliche Kombinationen von Kompensationskapazitäten und Widerständen einzulöten. Durch das ebenfalls erhältliche EVAL-LTPA-COMPRB Board können unterschiedliche Kompensationseinstellungen mit der Software ausgewählt werden. Das Board wird anstelle der Kompensationskomponenten mit dem Kompensationspin der Spannungsversorgung verbunden. Das EVAL-LTPA-COMPRB wird über USB mit dem PC verbunden. Die mitgelieferte Software ermöglicht es, zwischen vielen unterschiedlichen Kompensationseinstellungen zu wählen und dann mit dem LTpowerAnalyzer eine Bode-Diagramm Messung zu erstellen. Dieses Vorgehen hilft einem, die Spannungsversorgungsschaltung zu optimieren und spart viel Zeit im Vergleich zur herkömmlichen Vorgehensweise mit einem Ein- und Auslöten von Kompensationsbauteilen.
Neben einer Bode-Diagramm–Messung der Spannungsversorgung kann der LTpowerAnalyzer auch dazu eingesetzt werden, um Lasttransiententests bis 100 A auszuführen. Und das alles ohne eine teure elektronische Last im Labor haben zu müssen. Kleine, ansteuerbare Lastplatinen sind Teil des LTpowerAnalyzers und werden mit dem Ausgang der zu testenden Spannungsversorgung verbunden. Die Software initiiert einstellbare Lastsprünge und zeigt die resultierende Veränderung der Ausgangsspannung an. Somit können sehr viele unterschiedliche Lasttransiententests in kürzester Zeit ausgeführt werden.
Ein weiterer wichtiger Test für Spannungsversorgungen ist die Effizienz der Spannungswandlung. Das ist besonders wichtig, um die Erwärmung eines Gerätes vorherzusehen, damit die richtigen Maßnahmen zur Kühlung getroffen werden können. Das ist besonders wichtig für einen Betrieb bei warmen Umgebungstemperaturen. Auch ist eine hohe Effizienz im Sinne der Energieeinsparung sinnvoll. Somit ist eine Effizienzmessung einer Spannungsversorgung Pflicht. Hierfür können hochgenaue DMMs (Digitale Multimeter) verwendet werden. Diese sind oft teuer und müssen bei Effizienzmessungen mühsam für jeden Messpunkt einzeln abgelesen werden. Spezialisierte Labore für Spannungsversorgungen haben manchmal einen Messaufbau, bei welchem die einzelnen Spannungs- und Strommesssysteme miteinander kommunizieren und komplette Effizienzkurven an einem Computer ausgeben. Solche Anlagen müssen aber zunächst angeschafft und betrieben werden.
Mit dem neuen EVAL-LTPA-RL2000 von Analog Devices kann eine Effizienzmessung einer Spannungsversorgung in kürzester Zeit stattfinden. Der RL2000 beinhaltet alle notwendigen Gerätschaften für hochgenaue Effizienzmessungen. Zwei Spannungsmesssysteme mit einem Messbereich von ±125 V und einer Auflösung von einem Millivolt (Genauigkeit 0,025 Prozent reading + 0,01 Prozent range). Ebenfalls ist eine elektronische Last in den RL2000 eingebaut um Lastströme von bis zu 30 A zuzulassen. Diese Lastströme können dynamisch verändert werden, um eine Effizienzkurve über einem weiten Lastbereich zu erstellen.
Der RL2000 wird über USB mit einem Computer verbunden und die Software vom LTpowerAnalyzer wird genutzt, um Einstellungen zu tätigen und Effizienzdiagramme zu erstellen.
Die maximale Leistung dieses Aufbaus zur Effizienzmessung liegt bei 150 W am Ausgang. Falls eine höhere Leistung benötigt wird, können zwei RL2000 Kits miteinander verwendet werden, welche zusammen bis 300 W betrieben werden können.
Im niedrigen Leistungsbereich bietet der RL2000 eine sehr hohe Genauigkeit und die Möglichkeit, Leckströme des Messsystems berechnen zu lassen und die Software anzuweisen, diese Leckströme aus der Messung zu entfernen. Dadurch können auch Spannungsversorgungen im Nanoamperebereich hochgenau gemessen werden. Das ist bei Schaltungen aus dem Energy Harvesting Bereich besonders wichtig.
Das Evaluieren einer Spannungsversorgung kann einiges an Zeit und teure Messsysteme erfordern. Sowohl der Zeitaufwand als auch die Investition in Messsysteme können drastisch reduziert werden, wenn die optimierten Werkzeuge von Analog Devices, LTpowerAnalyzer, COMPRB (compensation probe) und RL2000 zur Effizienzmessung verwendet werden. Diese drei Messgeräte arbeiten mit der kostenfrei verfügbaren Software des LTpowerAnalyzer zusammen. Die Bedienung ist einfach und die Messergebnisse sind akkurat.
