Einleitung
Der typische Schaltregler für Betriebspannungen im 0,8 - 5 Volt Bereich wird durch einen Spannungsteiler am Feedback-Pin auf seine Ausgangspannung programmiert. Dort kann man fest eine Spannung vorgeben oder über Jumper zwischen unterschiedlichen Spannungsteilern wechseln. Meist ist auch nur ein externer Widerstand für den Spannungsteiler nötig, da im IC schon der andere Widerstand ist.
Aus meiner Bachelorarbeit hing mir aber noch die Idee nach, einen solchen Schaltregler via Microcontroller zu steuern. Nun dies habe ich hier zumindest als LTSpice-Simulation umgesetzt. Da ich aktuell kein solches Netzteil benötige, habe ich auch kein Layout erstellt und nur die theoretische Funktion zu berichten.
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Bauteilauswahl
Da LTSpice von (ehm.) Linear Technology die meisten Bauteile enthät und die auch meistens zu ihren Produkten auch eine Simulationsdatei zur Verfügung stellen, habe ich dort nach passenden Bausteinen für meine Idee gesucht. Es gibt auch noch andere Spice basierende Simulationsprogramme wie z.B. TINA von Texas Instruments, aber ich bin nunmal mit LTSpice "groß" geworden.
Deshalb hier meine Auswahl an Bauteilen:
In meiner Idee sieht das System folgendermaßen aus: Eine 3,3 Volt Umgebung seitens Microcontroller und Ansteuerelektronik des Schaltreglers. Deshalb auch die Rail-to-Rail Bauteile um möglichst den ganzen Spannungsbereich nutzen zu können, aber an der gleichen Spannungsversorgung wie der Microcontroller zu hägen.
Der Schaltregler ist klar, irgendwer muss ja die Ausgangspannung regeln. Da hatte ich jetzt auch eher übliche digitale Logikpegel im Hinterkopf und deshalb die 0.8 - 5 Volt bei der Auswahl betrachtet. Und auch die geringe Anzahl an zusätzlichen Bauteilen (ein paar Kondensatoren sind ja nichts).
OPV und DAC wie schon erwähnt als Rail-to-Rail Versionen. In Betracht auf die Bachelorarbeit (Mehrkanalnetzteil) sind die zwei Ausgänge des DAC willkommen und den OPV gibt es auch gleich mit 2 und 4 in einem Gehäuse.
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Entwicklung
Auf der Produktseite des LTM4623 gibt es auch die LTSpice-Datei. Damit ist schon mal für die Simulation die Basis vorhanden. Der LTM4623 hat intern am Feedback-Pin einen 60,4 kOhm Widerstand verbaut. Im Datenblatt ist gleich eine Tabelle (Table 1, Seite 10) mit den Widerstandswerten für Festspannungsdesigns. Die Widerstandswerte sind aus der E96-Reihe und ich würde für einen Aufbau auch Präzisionswiderstände (Toleranz <=1%) empfehlen.
Mit der Formel für den Feedback-Pin-Widerstand lässt sich das Verhalten schon mal abschätzen. Nun möchte ich mit dem OPV das Feedback entsprechend beeinflussen und das Steuersignal vom DAC einkoppeln.
In meiner Überlegung gehe ich davon aus, dass der DAC standardmäßig 0 Volt am Ausgang hat. Der OPV muss in der mehr oder weniger in der Regelschleife das LTM4623 hängen und die minimale Ausgangspannung einstellen, wenn der DAC 0 Volt ausgibt. Wenn der DAC seine maximale Ausgangspannung von 3.3 Volt ausgibt, muss der OPV am LTM4623 die maximale Ausgangspannung einstellen.
Im Datenblatt des LTM4623 ist dank der Tabelle mit den Widerstandswerten schnell klar: kleinere Widerstandswerte am Feedback-Pin ergeben die höhere Ausgangspannung. D.h. mit dem Spannungsteiler intern 60,4 kOhm und extern 8,25 kOhm (5 Volt Ausgangspannung) ist das Teilerverhältnis ca. 7,3. Mit dem Spannungsteiler intern 60,4 kOhm und extern 60,4 kOhm (1,2 Volt Ausgangspannung) ist das Teilerverhältnis 1. Umgekehrt heist dies: bei gleicher Ausgangspannung kommt bei höherem Teilerverhältnis eine niedrigere Spannung am Feedback-Pin an. Daraus resultiert, das Signal vom DAC muss in eine invertierende OPV-Beschaltung gehen um meiner vorhergehenden Überlegung zu folgen. Da das invertierte Signal vom DAC nicht negativ werden kann, da keine negative Betriebspannung für den OPV zur Verfügung steht, muss ein Offset am nicht-invertierenden Eingang des OPV eingestellt werden.
Wenn ich am nicht-invertierenden Eingang des OPV ein Offset einstelle, wird dieses mit dem Faktor 1+R4/R5 verstärkt. Bevor es noch verwirrender wird, bei den jeweiligen OPV-Schaltungen (invertierend bzw. nicht-invertierend) betrachte ich erstmal nur die Standardschaltung ohne die jeweils auftretenden Offsets (wenn DAC nicht 0 Volt oder das Offset welches am nicht-invertierenden Eingang eingestellt wird).
Also zu dem Offset am nicht-invertierenden Eingang des OPV: Wenn ich am DAC 0 Volt ausgebe, soll die minimale Ausgangspannung (0,8 Volt) am Ausgang vom LTM4623 anliegen. Der DAC soll mit einem Ausgangspannungsbereich von 0 - 3,3 Volt von 0,8 - 5 Volt aussteuern können.
Meine Überlegung war folgende: (5 - 0,8) / (3,3 - 0) = 1,27. D.h. irgendwie muss ein Faktor von -1,27 durch den invertierend Verstärker auftreten. Gleichzeitig habe ich aber das Offset am nicht-invertierend Eingang (zwei Sätze vorher: 0,8 Volt Ausgangspannung und 0 Volt am DAC) welches nun ja mit dem Faktor 2,27 verstärkt werden müsste. Wenn ich am Ausgang des OPV (Feedback-Pin) nun 0,6 Volt und von dem Verstärkungsfaktor 2,27 (nicht-invertierend) ausgehe, müsste ja das Offset ca. 0,26 Volt betragen (0,6 Volt / 2,27 = 0,26 Volt). Beil 0,8 Volt Ausgangspannung ergibt das ein Spannungsteilerverhältnis von ca. 3 bzw. den Faktor 0,3.
Hiermit habe ich nun meine Startwerte für die LTSpice-Simulation gehabt. Bei dem Spannungsteiler habe ich mich als Startwert für den selben Widerstandswert wie intern im LTM4623 (R2 = 60,4 kOhm) entschieden und passend zum Teilerverhältnis R3 = 20 kOhm ausgewählt. Für R5 habe ich einfach wieder 20 kOhm genommen und 16 kOhm als Startwert für R4.
Mit diesen groben Werten habe ich LTSpice die weitere Arbeit machen lassen, bzw. eine Tabelle erstellt um weitere Berechnungen anzustellen.
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