Steuerungsstrategien für Schaltnetzteile zur Leistungssteigerung bei SPSen

Einführung:

Schaltnetzteile werden häufig in verschiedenen Industrieanwendungen eingesetzt und bieten einen hohen Wirkungsgrad und ein kompaktes Design. Diese Netzteile erfordern effektive Steuerungsstrategien, um in Verbindung mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) eine optimale Leistung sicherzustellen. In diesem Artikel werden wir verschiedene Steuerungsstrategien untersuchen, die die Leistung von Schaltnetzteilen bei Verwendung mit SPS verbessern können. Durch das Verständnis dieser Strategien können Ingenieure und Designer die Effizienz und Zuverlässigkeit ihrer Stromversorgungssysteme maximieren und so die Gesamtleistung verbessern.

Steuerstrategie 1: Spannungsmodussteuerung

Die Spannungsmodussteuerung ist eine der am häufigsten verwendeten Strategien beim Schalten von Netzteilen. Es misst die Ausgangsspannung und vergleicht sie mit der Referenzspannung, um den Arbeitszyklus des Leistungsschalters zu regulieren. Diese Steuerstrategie ermöglicht eine präzise Regelung der Ausgangsspannung, sorgt für Stabilität und minimiert Spannungsschwankungen.

Bei der Spannungsmodussteuerung vergleicht ein Fehlerverstärker die Ausgangsspannung mit der Referenzspannung. Jede Differenz zwischen den beiden Werten erzeugt ein Fehlersignal, das dann von einem Kompensator verarbeitet wird. Der Kompensator passt den Arbeitszyklus des Leistungsschalters entsprechend an, indem er ihn entweder erhöht oder verringert, um die gewünschte Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.

Ein großer Vorteil der Spannungsmodussteuerung ist ihre Einfachheit, wodurch sie leicht zu implementieren und zu debuggen ist. Bei Anwendungen mit schnellen Lasttransienten oder hohen Schleifenverstärkungen kann es jedoch zu Herausforderungen kommen. In solchen Szenarien kann ein zusätzlicher Regelkreis erforderlich sein, um die Systemstabilität zu verbessern.

Steuerstrategie 2: Aktuelle Modussteuerung

Current Mode Control ist eine weitere weit verbreitete Steuerungsstrategie, die die Leistung von Schaltnetzteilen verbessert. Im Gegensatz zur Spannungsmodussteuerung nutzt diese Strategie den Induktorstrom als primäres Rückkopplungssignal zur Regelung der Ausgangsspannung.

Bei der Strommodussteuerung misst ein Strommessverstärker den Induktorstrom, der dann mit dem Referenzstrom verglichen wird. Die Differenz zwischen diesen Werten erzeugt ein Fehlersignal, das vom Kompensator verarbeitet wird, um das Tastverhältnis des Leistungsschalters anzupassen. Diese Steuerstrategie bietet eine verbesserte Stabilität, insbesondere bei Anwendungen mit schnellen Lasttransienten.

Einer der Hauptvorteile der Current Mode Control ist ihre inhärente Fähigkeit, einen zyklusweisen Überstromschutz bereitzustellen. Es stellt sicher, dass das System schnell auf übermäßige Lastbedingungen reagiert und Schäden an der Stromversorgung und den angeschlossenen Geräten verhindert werden. Es ist jedoch wichtig, den Regelkreis sorgfältig zu entwerfen, um Stabilitätsprobleme durch subharmonische Schwingungen zu vermeiden.

Regelungsstrategie 3: Hystereseregelung

Hysteresis Control ist eine Steuerstrategie, die eine hervorragende dynamische Reaktion bietet und stationäre Fehler bei der Regelung von Schaltnetzteilen eliminiert. Es funktioniert, indem es die Ausgangsspannung mit zwei Schwellenwerten vergleicht – einem hohen Schwellenwert und einem niedrigen Schwellenwert –, um zu bestimmen, wann die Stromversorgung ein- oder ausgeschaltet werden muss.

Bei der Hysteresis Control wird die Ausgangsspannung kontinuierlich überwacht. Wenn der höhere Schwellenwert überschritten wird, wird die Stromversorgung abgeschaltet. Umgekehrt wird beim Unterschreiten der unteren Schwelle die Stromversorgung wieder eingeschaltet. Diese Regelstrategie stellt eine konstante Ausgangsspannung auch bei Störungen sicher.

Die Hysteresesteuerung lässt sich einfach implementieren und bietet aufgrund ihrer inhärenten Rückkopplungsnatur ein hervorragendes Einschwingverhalten. Allerdings kann es zu einem Phänomen kommen, das als subharmonische Schwingung bekannt ist. Um dieses Problem anzugehen, setzen Konstrukteure häufig zusätzliche Stabilisierungstechniken ein, beispielsweise einen Neigungsausgleich.

Steuerungsstrategie 4: Steuerung des Durchschnittsstrommodus

Die Durchschnittsstrommodussteuerung ist eine Steuerstrategie, die die Vorteile der Spannungsmodussteuerung und der Strommodussteuerung kombiniert. Es verwendet einen Fehlerverstärker, um den durchschnittlichen Induktorstrom mit dem Referenzstrom zu vergleichen, was eine präzise Regelung der Ausgangsspannung und gleichzeitig ein hervorragendes Einschwingverhalten ermöglicht.

Bei der Steuerung im Durchschnittsstrommodus wird der Induktorstrom mithilfe eines Integrators erfasst und über einen Schaltzyklus gemittelt. Dieser gemittelte Stromwert wird mit dem Referenzstrom verglichen und erzeugt ein Fehlersignal, das vom Kompensator verarbeitet wird, um das Tastverhältnis des Leistungsschalters anzupassen. Diese Steuerstrategie bietet verbesserte Stabilität und Überstromschutz.

Darüber hinaus verhindert die Average Current Mode Control von Natur aus subharmonische Schwingungen, wodurch der Bedarf an zusätzlichen Stabilisierungstechniken verringert wird. Es wird häufig in Anwendungen mit mittleren bis hohen Schleifenverstärkungen und schnellen Lasttransienten eingesetzt.

Regelstrategie 5: Proportional-Integral-Derivative (PID)-Regelung

Die Proportional-Integral-Derivative (PID)-Steuerung ist eine vielseitige und weit verbreitete Steuerungsstrategie, die die Leistung von Schaltnetzteilen bei Verwendung mit SPS verbessern kann. Es kombiniert drei Steuerterme – Proportional, Integral und Ableitung –, um Stabilität, Reaktionsfähigkeit und Genauigkeit zu verbessern.

Bei der PID-Regelung wird der Ausgangsspannungsfehler in drei Regelglieder eingespeist. Der Proportionalterm reagiert auf den aktuellen Fehler, der Integralterm befasst sich mit vergangenen Fehlern im Laufe der Zeit und der Ableitungsterm sagt zukünftige Fehler basierend auf der aktuellen Änderungsrate voraus. Diese Terme, kombiniert durch geeignete Gewichtung, bestimmen die Arbeitszyklusanpassung für den Leistungsschalter.

Die PID-Regelung bietet eine hervorragende Regelgenauigkeit, schnelle Reaktion auf Lastschwankungen und robuste Stabilität. Es wird häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine präzise Steuerung und hochdynamische Leistung erfordern. Die richtige Abstimmung der PID-Parameter ist jedoch entscheidend, um optimale Ergebnisse zu erzielen und Probleme wie Überschwingen oder Instabilität zu vermeiden.

Zusammenfassung:

In diesem Artikel haben wir verschiedene Steuerungsstrategien untersucht, die die Leistung von Schaltnetzteilen bei Verwendung mit SPS verbessern können. Wir haben die Spannungsmodussteuerung, die Strommodussteuerung, die Hysteresesteuerung, die Durchschnittsstrommodussteuerung und die Proportional-Integral-Derivative (PID)-Steuerung besprochen. Jede Strategie hat ihre eigenen Vorteile und Überlegungen, sodass Ingenieure und Designer die am besten geeignete Strategie für ihre spezifische Anwendung auswählen können.

Durch die Implementierung effektiver Steuerungsstrategien können Ingenieure eine optimale Regelung und Stabilität von Schaltnetzteilen sicherstellen, was zu einer verbesserten Leistung, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit führt. Ob es sich um die Einfachheit der Spannungsmodussteuerung, die verbesserte Stabilität der Strommodussteuerung, die hervorragende dynamische Reaktion der Hysteresesteuerung, die kombinierten Vorteile der Durchschnittsstrommodussteuerung oder die Vielseitigkeit der PID-Steuerung handelt, die Wahl der richtigen Strategie kann erhebliche Auswirkungen auf die Situation haben Gesamtleistung von Stromversorgungssystemen.