Analogschaltung (Abbildung 1):
Für die Spezifikationen 0–30 V und 0–1 A benötigte ich Bauteile, die im analogen Teil der Schaltung mit einer hohen Spannung (< 35 V) arbeiten können. Ich entschied mich für den MCP6V51, einen Hochspannungs-Operationsverstärker, und den MCP6C02, einen High-Side-Stromsensor, da diese die Anforderungen meiner Schaltung erfüllten.

Die Schaltung ist eine konventionelle Fehlerkompensationsschaltung mit Konstantspannung und Konstantstrom. Die verwendeten Operationsverstärker MCP6V51 sind für Spannungen bis zu 49 V ausgelegt und zeichnen sich durch geringe Drift und gute Gleichstromeigenschaften aus. Die Widerstände an den invertierenden und nicht-invertierenden Eingängen sind mit 10 kΩ niedrig und gleich, um Offsetfehler zu minimieren. Zusammen mit den 1-µF-Kondensatoren C1 und C2 bilden diese Widerstände einen RC-Filter zur Unterdrückung von Restrauschen an den Ausgängen des Digital-Analog-Wandlers (DAC). Die Sollspannungen werden von den DACs des Mikrocontrollers im Bereich von 0 bis 3,3 V bereitgestellt. Daher muss die Eingangsspannungsrückkopplung mit R1 und R2 auf diesen Wert eingestellt werden.

Der Strom wird vorzugsweise auf der Hochspannungsseite gemessen, um eine gemeinsame Masse zu gewährleisten und den Messwiderstand so gering wie möglich zu halten. Dadurch werden Spannungsabfall und Verlustleistung minimiert. Der Hochspannungsstromsensor MCP6C02 erfüllt diese Kriterien. Er kann bis zu 65 V und mit einer Verstärkung von 100 betrieben werden, was einen kleinen Stromshunt ermöglicht. Da der maximal zu erwartende Strom für diese Anwendung 1 A beträgt, sollte der Shuntwiderstand etwa 30 mΩ betragen. Dies ergibt eine Rückkopplungsspannung von 30 mΩ * 1 A * 100 = 3,0 V. Der Widerstand ist auf der Leiterplatte mit einer 40 mil (ca. 1 mm) breiten und etwa 64 mm langen Kupferleiterbahn realisiert (siehe Abbildung 3).

Die Belastung eines Labornetzteils kann von Leerlauf bis Kurzschluss reichen, daher sind zusätzliche Schutzkomponenten erforderlich. Die in entgegengesetzter Richtung geschalteten 1-A-Universaldioden (D1, D2) gewährleisten zusammen mit dem Strombegrenzungswiderstand R3, dass die Differenzeingangsspannung des Strommesschips unter allen Bedingungen unter der maximalen Spannung von 1,2 V bleibt. Der Integrationskondensator (C3) im Stromverstärker muss um mehrere Größenordnungen größer sein als der auf der Spannungsseite, um die durch den Strommessverstärker verursachte Laufzeitverzögerung zu kompensieren und so den Regelkreis zu stabilisieren. Ein zweiter Kanal des DAC des Mikrocontrollers versorgt den Stromfehlerverstärker U2 mit der angepassten Spannung (die wiederum den angepassten Strom liefert).
Die Ausgänge der beiden Verstärker sind mit den Kleinsignaldioden D3 und D4 über ein logisches ODER-Gatter verbunden, um die Darlington-Transistoren am Ausgang anzusteuern. Das ODER-Gatter bestimmt, ob das Netzteil im Konstantspannungs- oder Konstantstrommodus arbeitet.

Mikrocontroller-Schaltung (Abbildung 2)
steuert die Tastatur und das LCD-Display und erzeugt die Referenzspannungspegel für die analogen Regelkreise. Hierfür werden zwei DAC-Kanäle mit hoher Auflösung benötigt. Ein A/D-Wandler (ADC) dient zur Messung verschiedener Parameter der Stromversorgung.

Der Atmel SAML21 wurde ausgewählt, da er zwei 12-Bit-DAC-Kanäle und einen 12-Bit-ADC in einem kleinen 32-Pin-TQFP-Gehäuse bietet. Die Anwendung benötigt keinen vollständigen 12-Bit-DAC; dennoch ist etwas zusätzlicher Headroom ratsam, da es bei der Berechnung der Werte durch die Firmware aufgrund von Spezifikations- und Rundungsfehlern zu geringfügigen Präzisionsverlusten kommt.

Firmware
-Code ist in C geschrieben. Es gibt zwei Treiberversionen: Die Basisversion PowerSupplyBasic.c dient der Einstellung und Messung von Spannung und Strom. Die Vollversion PowerSupplyFull.c misst zusätzlich die Kühlkörpertemperatur, steuert den Lüfter in Abhängigkeit von der Kühlkörpertemperatur, zeigt Eingangsspannung und -leistung sowie die Verlustleistung des Durchlasstransistors an. Diese Treiber sind in der Referenz verfügbar und sollten zusammen mit der Startdatei PowerSupply.h zu einem Studio-7-Projekt hinzugefügt werden. Das Programm wurde mit der Studio-7-IDE (Version 7.0.129) kompiliert. Zum Programmieren und Debuggen wurde ein Atmel ICE verwendet. Die Programmierpins der Leiterplatte sind nicht mit dem mitgelieferten Standardstecker des Programmiergeräts kompatibel. Daher muss ein neuer Stecker installiert werden, um die Pinbelegung gemäß Abbildung 2 und dem Leiterplattenlayout sicherzustellen.

Beim Einschalten sind die Spannung auf 0 V und der Strom auf 50 mA eingestellt. Das Display zeigt in der ersten Zeile die Soll- und die Messwertspannung und in der zweiten Zeile den Soll- und den Messwertstrom an (Abbildung 5).
Bei Installation der vollständigen Treiberversion (sowie der zugehörigen Hardware, siehe unten) können die Zusatzfunktionen angezeigt werden.

Die Hauptschnittstelle funktioniert folgendermaßen:

Hardware:
Die Durchbruchspannung passiver SMD-Bauteile ist normalerweise unproblematisch, da die meisten Schaltungen mit niedrigen Spannungen arbeiten. Diese Anwendung bildet eine Ausnahme, daher ist es wichtig, diesen Parameter zu beachten. Einige der auf der Leiterplatte verwendeten Kondensatoren sind für 50 V oder höher ausgelegt. Es gibt gute Gründe, an allen Positionen Keramikkondensatoren mit 50 V (oder höher) zu verwenden, sofern ein entsprechendes Gehäuse verfügbar ist. Die Kapazität von Keramik-Chipkondensatoren ist spannungsabhängig; sie nimmt ab, je näher die Spannung ihrem maximalen Betriebswert kommt.

Ich habe dem Spannungsregler L78L3.3 eine separate Versorgungsspannung (VDD), VinLOW, hinzugefügt. Dieser Regler hat eine maximale Eingangsspannung von 30 V. Falls Ihr Netzteil eine höhere Spannung liefert, muss VinLOW entweder von einem separaten Netzteil mit niedrigerer Spannung versorgt werden oder ein Bauteil eingefügt werden, um einen Spannungsabfall zwischen Vin und VinLOW zu erzeugen. Ein Widerstand oder eine Zenerdiode sind ebenfalls geeignet. Diese Schaltung verbraucht etwa 25 mA Strom, hauptsächlich für die LED, die die Rückseite des Bildschirms beleuchtet.

Bei der Vollversion muss zusätzlich die Diode D5 angeschlossen werden, um einen guten thermischen Kontakt mit dem Durchlasstransistor (TIP140) zu gewährleisten. Der Widerstand R14 liefert einen annähernd konstanten Strom von 100 µA, sodass der Spannungsabfall an der Diode nur von der Temperatur abhängt und typische Werte von 0,7 V bzw. -2 mV/°C aufweist. Allerdings gibt es erhebliche Unterschiede im absoluten Spannungspegel und im Temperaturkoeffizienten (Steigung) zwischen den Dioden. Daher muss dieser Parameter in der Software separat kalibriert werden. Das SAML21 verfügt über ein werkseitig kalibriertes Temperaturmodul und eignet sich daher gut als Ausgangspunkt.
Ich habe mich für ein Aluminiumgehäuse entschieden; das komplette Netzteil ist in Abbildung 5 dargestellt.

Varianten:
Für die Basisversion ohne Kühlkörperlüfter werden die Bauteile T3, R9, R14, R7, R8 und D5 nicht benötigt.
Ich verwendete einen Transformator, der im Leerlauf eine gleichgerichtete Spannung von ca. 40 V und einen Nennstrom von 1 A lieferte. Daher stellte ich die maximal geregelte Spannung auf 30 V und den maximalen Strom auf 1 A ein. Die Durchlasstransistoren sollten bei Volllast eine Kollektor-Emitter-Spannung von 4–5 V liefern.
Falls Ihr Transformator eine niedrigere oder höhere Spannung liefert, können Sie den Code zur Einstellung der DAC-Referenzspannung entsprechend anpassen. Liegt die gewünschte Spannungsänderung außerhalb des Einstellbereichs des Potentiometers R2, muss der Wert des Widerstands R1 so geändert werden, dass die Spannung am invertierenden Eingang von U1 unterhalb des minimalen High-Pegels des DAC (VDD – 150 mV) für die maximale Ausgangsspannung des Netzteils liegt.
Die maximale Spannungsgrenze wird durch die für die Operationsverstärker und/oder Durchlasstransistoren spezifizierte Maximalspannung bestimmt. Bei den gewählten Operationsverstärkern muss die Eingangsspannung im Leerlauf unter 49,5 V abzüglich einer Sicherheitsmarge liegen. Die obere Stromgrenze hängt vom Strom ab, den der Durchlasstransistor verträgt. Der TIP140 ist für einen Kollektorstrom von 10 A ausgelegt. Durch Parallelschaltung weiterer Durchlasstransistoren (mit entsprechenden Stromverteilungswiderständen) lässt sich der Ausgangsstrom weiter erhöhen. Bei hohen Strömen ist auch die Verlustleistung hoch, was durch eine geeignete Kühlkörperkonstruktion kompensiert werden muss. Ich habe einen Kühlkörper und einen Lüfter eines alten PC-Motherboards verwendet, was für 30 W sehr gut funktioniert. Der Basissteuerstrom stellt selbst bei 10 A kein Problem dar, da die Stromverstärkung (hFE) des TIP140 weiterhin hoch ist.
Der kleinere Darlington-Steuertransistor BCV29 ist auf einen kontinuierlichen Kollektorstrom von 0,5 A begrenzt und weist bei diesem Strom eine minimale Stromverstärkung (hFE_MIN) von 4000 auf. Dadurch stellt er eine sehr geringe Last für den Operationsverstärker U1 dar. Dieser Transistor ist auf die Leiterplatte gelötet. Bei Anwendungen mit geringem Strombedarf kann der extern montierte TIP140-Durchlasstransistor weggelassen und der Emitter des BCV29 direkt mit dem Netzteilausgang verbunden werden. Der Transistor ist im SOT89-Gehäuse für die Oberflächenmontage erhältlich, wodurch die Verlustleistung aufgrund der minimalen Wärmeabgabe gering ist. Bei dieser Option ist die Temperatur des BCV29-Transistors unbedingt zu überwachen.

Abbildung 4. Ausgabebildschirm.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass
der Mikrocontroller viele Möglichkeiten zur Integration von Funktionen in dieses Netzteil eröffnet, beispielsweise die Programmierung einer Spannungs-/Stromkurve über die Zeit für Tests und andere Anwendungen.
Ziel dieses Projekts war nicht die Entwicklung eines hochpräzisen kommerziellen Netzteils, sondern eines praktischen für meinen Arbeitsplatz – meine Erwartungen wurden jedoch übertroffen.

Stückliste für das 32-Bit-Netzteil