Regelkreisanalyse für Netzgeräte
Als zentrale Anforderung muss ein Netzteil eines elektronischen Geräts trotz wechselnder Gerätelast einen konstanten Ausgangspegel aufrechterhalten können. Zur Überwachung des Ausgangspegels benötigt das Netzteil eine nahezu sofortige Rückmeldung des Pegels. Hierfür ist ein Regelkreis zuständig. Das Netzteil sollte ohne zu große Oszillationen – Überschwinger und Unterschwinger um den Zielwert – auf Laständerungen reagieren. Die Qualität der Rückmeldung spielt eine entscheidende Rolle für die Performance des Netzteils. Heute kommen fast immer
Schaltnetzteile (Switch Mode Power Supply, SMPS) zum Einsatz, die klein, leicht, effizient, kostengünstig und für große Eingangsspannungsbereiche geeignet sind. Um zu überprüfen, ob ein Schaltnetzteil unter unterschiedlichen Bedingungen ordnungsgemäß arbeitet, werden die Verstärkung und Phasenverschiebung im Regelkreis über einen bestimmten Frequenzbereich gemessen, während ein kontrolliertes Stimulussignal angelegt wird, um in der Regelschleife eine Reaktion hervorzurufen.
Ein Bode-Diagramm ist das Werkzeug der Wahl für die Analyse von Netzteilregelkreisen – es stellt gleichzeitig die Verstärkung in dB und die Phasenverschiebung in Grad dar. Ein Bode-Diagramm erlaubt Einblicke in die Performance des Regelkreises (Ausregelgeschwindigkeit) bei Änderungen der Anregungsfrequenz sowie den verfügbaren Stabilitätsspielraum. Die Phasenreserve entspricht der Phasenverschiebung bei derjenigen Frequenz, bei der die Verstärkung die 0-dB-Schwelle überschreitet. Sie bietet damit ein Maß für den verbleibenden Spielraum, bevor das System in einen instabilen Zustand übergeht.
Ein Oszilloskop eignet sich ideal als Messgerät, während ein Bode-Diagramm das beste Hilfsmittel zur Regelkreisanalyse darstellt – und zwar aus mehreren Gründen:
- FrequenzbereichMessungen des Regelkreisverhaltens sollten über einen Bereich von nahezu Gleichstrom bis zu einigen MHz durchgeführt werden, wofür sich Oszilloskope gut eignen.
- Die Ergebnisse des Bode-Diagramms sind einfach zu analysieren. Da die Verstärkung und Phasenverschiebung für verschiedene Frequenzen gleichzeitig dargestellt werden, können Entwickler gut nachvollziehen, ob die Phasenreserve bei der Übergangsfrequenz und die Amplitudenreserve bei einer Phasenverschiebung von −180° den Erwartungen entsprechen und die Performance- und Stabilitätsanforderungen erfüllt werden.
- Universal-Oszilloskopebieten ein Leistungsniveau für Frequenzgangmessungen, das für gängige Anforderungen ausreichend ist – zu weitaus geringeren Kosten als alle verfügbaren Alternativen. Darüber hinaus kommt ein Oszilloskop auch bei zahllosen anderen Messaufgaben gut zupass.
