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Mittels Rampengenerator-Peripherieschaltung ein Rampenspannungssignal erzeugen : Ausgabe 10/2017, 14.06.2017

Auf und nieder – immer wieder

Ein Rampenspannungssignal lässt sich in Schaltungen nutzen, die eine lineare Spannungsänderung ­benötigen. Dabei dient es als Referenzsignal, Steilheitskompensator oder als Wobbelspannungsgenerator. Die PRG-Peripherieschaltung auf PIC-Mikrocontrollern beispielsweise kann ein solches Signal erzeugen.

Autor: Kristine Angelica Sumague, Microchip Technology

Bilder: Microchip

Man erzeugt ein Rampenspannungssignal mit Hilfe der programmierbaren Rampengenerator-Peripherieschaltung (PRG), die Teil vieler Microchip-PIC-Mikrocontroller ist, und keinen Processor-Overhead erfordert. Der PRG kann eine fallende, eine steigende oder abwechselnd steigende und fallende Rampe erzeugen, die sich durch viele Eingangsquellen triggern lässt. Als fallende Rampe lässt sich der PRG als Steilheitskompensator in einem in Dauerstrombetriebsart arbeitenden DC/DC-Wandler nutzen. Die vom PRG erzeugte, fallende Rampe vermeidet subharmonische Oszillationen und kann bei Tastverhältnissen grösser als 50 % den Ausgang stabilisieren. Die Betriebsart des Rampenausgangs hängt vor allem von der Steuerung der internen Analogschalter ab. Die Zeitdauer zwischen dem Moment, an dem die Rampe startet und stoppt, wird von den Timingquellen am Eingang bestimmt.

Mit Timingquellen und Select-Bit clever arbeiten

Der PRG enthält zwei wählbare, unabhängige Timingquellen zur Erzeugung des Steuer­timings für das Rampenausgangssignal. Diese können ein externer Eingang über die Pins PRGxR und F oder Ausgangssignale von anderen Peripherieschaltungen sein. Zur Auswahl des set_rising-Eingangs setzt man die Select-Bit für die set-rising-Quelle im RTSS-Register; der Timingeingang set_falling lässt sich durch Setzen der Select-Bit im entsprechenden FTSS-Register auswählen. Die Polarität der Timingquellen kann man durch Setzen der Select-Bit für Fall Event Polarity (FPOL) bzw. für die Rise Event Polarity (RPOL) im Register CON1 wählen.

Neben den wählbaren Timingeingangsquellen und der Ereignispolarität lässt sich auch die Erkennungsmethode für die Timingquelleneingänge einstellen. Es gibt zwei Ereigniseingangs-Erkennungsmethoden für den PRG: Pegel- und Flankensensitivität. Die Erkennung eines ansteigenden bzw. abfallenden Signales am Eingang erfolgt durch Setzen der entsprechenden Select Bit Set Rising Input Mode (REDG) bzw. Set Falling Input Mode (FEDG) im Register CON0.

Prinzipiell ist ein flankensensitiver Betrieb sinnvoll, wenn Timingeingangssignale von periodischen Signalquellen abgeleitet werden, während ein pegelsensitiver Betrieb empfohlen ist, wenn Timingeingangssignale von Spannungsschwellwerten abgeleitet werden. Die Timingquellen für den PRG können von einem Baustein zum nächsten variieren. Zu den als PRG-Timingsignalquellen nutzbaren Peripherieschaltungen zählen Komparatoren sowie PWM- (Pulsbreitenmodulation) und CCP (Capture, Compare, PWM-)Ausgangs signale. Die Peripherieschaltung muss zuvor konfiguriert und als Timingquelle für den PRG ausgewählt werden.

Spannungseingänge als Signalquellen

Der Spannungsquelleneingang des PRG dient als Spannungsreferenz für das lineare Rampenausgangssignal. Folgende Anschlüsse können als Eingangsquelle dienen: eine externe Quelle von den IN0- oder IN1-Pins des PRG, das gepufferte Ausgangssignal der internen, festen Referenzspannung FVR (Fixed Voltage Reference) oder einer der internen D/A-Wandler. Die Operationsverstärkerausgänge nutzen ebenfalls die Pins IN0 und IN1, sodass sich das Referenzsignal über den Operationsverstärker puffern lässt. Referenzspannungsquellen lassen sich durch Setzen der Select Bit für den Spannungseingang im Register INS anwählen. Dazu aktiviert man den Operationsverstärker und wählt das entsprechende IN-Pin aus.

Drei Betriebsarten zur Auswahl

Für den programmierbaren Strom im PRG gibt es eine breite Auswahl an Quellen/Senken-Strömen, mit denen sich die gewünschte PRG-Rampensteilheit am Ausgang definieren lässt. Benötigt man für eine Anwendung eine hohe Spannungsflankensteilheit am PRG-Ausgang, so muss man eine Einstellung mit hohem Strom wählen. Der Wert des konstanten Rampenstroms wird über die Source/Sink-Einstell-Bit im Register CON2 eingestellt.

Der PRG lässt sich in einer von drei Spannungsrampen-Generatorbetriebsarten betrei­ben: Erzeugung einer abfallenden Rampe, Erzeugung einer ansteigenden Rampe oder alternierende Erzeugung von ansteigenden und abfallenden Rampen. Die Wahl dieser Betriebsarten erfolgt durch Setzen der PRG-Betriebsartenauswahlbits im Register CON0. Die internen Analogschalter SW1, SW2 und SW3 steuern das PRG-Ausgangssignal für jede Betriebsart. SW1 entlädt den internen Kondensator, sobald der Schalter geschlossen wird, während SW2 und SW3 die andere Seite des Kondensators mit der programmierbaren Stromquelle bzw. Stromsenke verbinden.

Die Schaltpositionen von SW2 und SW3 bestimmen den Ladungsfluss im internen Kondensator. Je nach konfigurierter Betriebsart verändert sich die Schaltposition dieser Schalter. In der Betriebsart zur Erzeugung abfallende Rampen ist SW2 offen, SW3 geschlossen und SW1 wird abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Da SW3 geschlossen ist, während SW1 offen ist, wird der interne Kondensator über eine Stromsenke geladen. Die Spannung über dem Kondensator wird vom Wert der Spannungseingangsquelle abgezogen und erzeugt ein Ausgangssignal mit abfallender Rampe mit der voreingestellten Rampensteilheit.

Die Betriebsart zur Erzeugung ansteigender Rampen nutzt den gleichen Ablauf mit Ausnahme der Schaltzustände von SW2 und SW3. In dieser Betriebsart ist SW2 geschlossen und SW3 offen. Wenn SW2 geschlossen wird, während SW1 offen ist, dann wird der interne Kondensator über die Stromquelle geladen und erzeugt damit ein Ausgangssignal mit ansteigender Rampe.

In der Betriebsart mit abwechselnd ansteigenden und abfallenden Rampen bleibt SW1 offen, und die Schaltzustände von SW2 und SW3 wechseln alternierend. Wenn also SW2 geschlossen ist, dann ist SW3 offen und umgekehrt. Da SW1 in dieser Betriebsart offen bleibt, hat die Referenzspannung keine Auswirkung auf das PRG-Ausgangssignal, weil es keinen Entladevorgang gibt, der die Kondensatorspannung auf den Wert der Referenzspannung bringt. Die Schalter SW2 und SW3, die alternierend ein- und ausgeschaltet werden, verbinden den internen Kondensator entweder mit der Stromquelle oder der Stromsenke, und laden diesen entweder in die eine oder andere Richtung. Dadurch entsteht eine abwechselnd ansteigende und abfallende Rampe am PRG-Ausgang.

Die abwechselnden Schaltvorgänge von SW2 und SW3 in der Betriebsart mit abwechselnd ansteigenden und abfallenden Rampen bringen ein Problem mit sich: Die Quellen- und Senkenströme, die durch den internen Kondensator fliessen, wie der parasitäre Widerstand, Rauschen, Produktionsvariationen und Temperatur, stimmen nicht genau überein. Dies hat einen starken Einfluss auf das PRG-Verhalten in einem System mit offener Regelschleife und führt zu einer Drift des Verlaufs der durchschnittlichen PRG-Ausgangsspannung über die Zeit. Dieser Effekt ist eine konstruktionsbedingte Systembegrenzung, der sich nicht durch einen Abgleich kompensieren lässt. Die Drift der Durchschnittsspannung lässt sich aber mit einer Rückkopplungsschleife im PRG reduzieren. Man verbindet den PRG-Ausgang mit einem der Komparator-Eingänge, während der Komparatorausgang als einer der PRG-Timingeingänge arbeitet, um den Spitzenspannungspegel des PRG-Ausgangs konstant zu halten.

One-shot-Timer

Ein optionaler One-shot-Timer im PRG-Modul gewährleistet eine minimale Kondensatorentladezeit für die Betriebsarten mit ansteigender bzw. abfallender Rampe. Dieser Timer stellt zudem auch die Mindestdauer der ansteigenden oder abfallenden Rampen in der Betriebsart mit alternierenden Rampen sicher. In den Betriebsarten mit steigenden und fallenden Rampen gewährleistet der One-shot-Timer die Entladung des Kondensators, indem der Schalter SW1 mindestens für die One-shot-Periode (typischerweise 50 ns) geschlossen wird. In der Betriebsart mit alternierenden Rampen entspricht die minimale Zeitdauer der ansteigenden wie auch der abfallenden Rampen jeweils der One-shot-Periode. Der One-shot-Timer wird durch Setzen des OS-Bit im Register CON0 aktiviert.

Anwendungen

Neben dem Einsatz in einem DC/DC-Wandler lässt sich ein PRG auch zur Regelung eines Schaltnetzteilausgangs nutzen. Wie im Spitzenstromsteuermodus lässt sich eine Voltage-Mode-Ausgangsregelung zur Ansteuerung der Schaltvorgänge des MOSFETs durch die Einstellung des PWM-Tastverhältnisses erzielen. Statt aber den Ausgangsfehler zur Einstellung des PWM-Tastverhältnisses mit dem abgeleiteten Drosselstrom zu vergleichen, wird der Ausgangsfehler in einer Voltage-Mode-Steuerung mit einer Rampenreferenzspannung verglichen. Das vom PRG in einer Betriebsart mit ansteigender Rampe erzeugte Rampensignal lässt sich als Rampenreferenzspannung nutzen. Solange die ansteigende Rampenspannung kleiner als die Fehlerspannung ist, nimmt das Tastverhältnis des COG(Complementary Output Generator-)Ausgangssignals zu. Sobald aber das Rampensignal die Ausgangsfehlerspannung erreicht, wird das COG-Tastverhältnis zurückgesetzt. Eine andere Anwendung nutzt die vom PRG erzeugte ansteigende und abfallende Wellenform als Referenzsignal in einem Klasse-D-Halbbrücken- und Vollbrückenverstärker. Hier wird eine PRG-Konfiguration mit geschlossener Regelschleife implementiert, um das Durchschnittsspannungsproblem in der Betriebsart mit alternierenden ansteigenden/abfallenden Flanken zu lösen. Dabei vergleicht man das PRG-Ausgangssignal mit alternierenden Rampen mit dem analogen Audioeingangssignal und nutzt dazu einen internen Komparator mit invertierendem Ausgang. Das Komparatorausgangssignal erzeugt Pulswellenformen, die direkt proportional zu den augenblicklichen Werten des Audiosignals sind. Diese Pulswellenformen werden an den COG weitergeleitet, dessen komplementäre PWM-Ausgänge Q1 und Q4 auf High sowie Q2 und Q3 auf Low treiben oder umgekehrt. Danach entfernt ein Tiefpassfilter die Trägerfrequenz und stellt das analoge Audiosignal wieder her. 

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Das Rampenspannungssignal dient als Referenzsignal, Steilheitskompensator oder als Wobbelspannungsgenerator


Klasse D Vollbrückenverstärker


Es gibt eine nennenswerte Abweichung der durchschnitt­lichen Spannung, wenn der PRG in einem System mit offener Regelschleife arbeitet