Stromversorgung Auf die Basics kommts an

Die Lebensdauer von Batterien oder Akkus in portablen elektronischen Geräten wie PDA, Handy, MP3-Player oder Laptop hängt vom Design der Stromversorgung ab, die die internen Schaltkreise und...

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Texas Instruments Deutschland GmbH

Selbst wenn sich die meisten Stromversorgungen mit getakteten DC/DC-Wandlern effizienter bauen lassen, sind Linearregler in einigen Applikationen erforderlich. So können unter anderem Ausgangsspannungen von DC/DC-Wandlern damit gefiltert werden, um extrem empfindliche Schaltungen zu versorgen. Unterscheiden sich Eingangs- und Ausgangsspannung nur wenig, kann der Wirkungsgrad einer linear geregelten Schaltung in den Bereich des Wirkungsgrades eines Abwärtswandlers kommen. In diesem Fall ist der lineare Regler die wirtschaftlichere Lösung. Dessen Regelung der Ausgangsspannung erfolgt durch die Änderung des Durchlasswiderstandes des Transistors (Bild 1).Der Wirkungsgrad dieser Schaltung hängt im Wesentlichen vom Betriebspunkt ab, dem Verhältnis aus Eingangs- zu Ausgangsspannung. Natürlich trägt auch der Eigenverbrauch jeder Regelschaltung zu Verlusten bei. Dies ist eine Eigenschaft, die alle Wandler gemeinsam haben. Deshalb muss der Stromverbrauch einer Regel- und Überwachungsschaltung möglichst niedrig sein. Typische Werte liegen im Bereich von 10 bis 50 µA. Damit sind die Ströme, die kontrolliert werden, rund 1000-mal größer als die Ströme, mit denen das geschieht, und können meist vernachlässigt werden. Die größten Verluste eines Linearreglers treten am bzw. im Längstransistor auf. Ist das Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung klein, sind Wirkungsgrade von über 90% möglich. Außerdem haben Linearregler den großen Vorteil, eine sehr saubere Ausgangsspannung zu liefern.Höhere Wirkungsgrade über einen weiten Arbeitsbereich lassen sich nur mit getakteten Wandlern erreichen. Sie bestehen im Grunde aus einem Energiespeicherelement in Form einer Induktivität sowie einem aktiven und einem passiven Schalter. Für die verschiedenen Anwendungsbereiche gibt es unterschiedliche Anordnungen dieser Elemente. Allen gleich ist, dass die Höhe der erzeugten Ausgangsspannung immer vom Tastverhältnis des Taktes abhängt, mit dem die Schalter angesteuert werden.Einem Linearregler ähnlich, wandelt der Abwärtswandler (Buck-Konverter) eine höhere Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung um. Die Grundschaltung veranschaulicht Bild 2. Wird der aktive Schalter geschlossen, lädt sich die Induktivität auf und entlädt sich, sobald der aktive Schalter wieder geöffnet wird. Der Strom fließt dann über die Diode, die den passiven Schalter darstellt. Die Verluste dieses Wandlers sind strom- bzw. lastabhängig und entstehen hauptsächlich durch die Leitungsverluste in den Schaltern und der Induktivität. Durch den getakteten Betrieb sind sie nahezu unabhängig vom Betriebspunkt. Das Schalten selbst erzeugt zusätzliche Verluste, die von der Betriebsfrequenz und Schaltergröße abhängen.Im Unterschied zu Linearreglern ist es mit getakteten Wandlern auch möglich, Ausgangsspannungen zu erzeugen, die höher sind als die Eingangsspannung. Eine Grundschaltung dieser Aufwärtswandler (Boost-Wandler) stellt Bild 3 dar. In der Ein-Phase des aktiven Schalters wird die Induktivität direkt an die Eingangsspannung geschaltet und lädt sich auf, in der Aus-Phase fließt der Strom in den Ausgang. Die aufgeladene Induktivität bildet eine zur Eingangsspannung in Serie geschaltete Quelle und erzeugt damit eine Spannung, die höher ist als die Eingangsspannung. Da kein wesentlicher Unterschied zu einem Abwärtswandler besteht, sind die Verluste ähnlich. Vergleicht man die Wandler allerdings bei gleicher Ausgangslast, zeigen sich die Effektiv-ströme in einem Aufwärtswandler aufgrund der niedrigeren Eingangsspannung höher als in einem Abwärtswandler. Um einen vergleichbaren Wirkungsgrad zu erhalten, sind deshalb Schalter mit niedrigerem Einschaltwiderstand notwendig.Genauso wie es möglich ist höhere Spannungen zu erzeugen, können auch negative Spannungen erzeugt werden. Ein Beispiel hierfür ist ein Buck-Boost-Inverter (Bild 4). Wie beim Boost-Wandler wird die Induktivität direkt an der Eingangsspannung aufgeladen. Durch die unterschiedliche Anordnung von Schaltern und Induktivität wird in umgekehrter Richtung entladen. Damit wird am Ausgang eine negative Spannung erzeugt (bezogen auf die Eingangsspannung). Diese Spannung kann im Betrag höher oder niedriger sein als die Eingangsspannung, weil die Induktivität nicht wie beim Boost-Wandler in Serie zur Eingangsspannung entladen wird, sondern bezogen auf GND. Die Verluste entstehen ähnlich wie beim Boost-Wandler.Kombiniert der Entwickler nun die Schaltungen aus Buck- und Boost-Konverter zu einer Schaltung, erhält man einen Buck-Boost-Konverter. Deren Grundschaltung zeigt Bild 5. Beim Betrieb dieser Schaltung hängen die Verluste in erster Linie von der Art der Ansteuerung der aktiven Schalter ab. Werden die beiden aktiven Schalter gleichzeitig geschaltet, lädt sich die Induktivität an der Eingangsspannung auf und entlädt sich an der Ausgangsspannung. Sie liegt dabei nicht in Serie zur Eingangsspannung und erlaubt somit Ausgangsspannungen, die niedriger oder höher sind als die Eingangsspannung je nachdem, ob das Tastverhältnis kleiner oder größer als 50% ist.Andererseits ist es möglich, die beiden aktiven Schalter abwechselnd zu schalten. Bleibt z.B. der aktive Schalter S2 dauerhaft offen, während Schalter S1 arbeitet, funktioniert der Wandler wie ein Abwärtswandler. Ist dagegen Schalter S1 dauerhaft eingeschaltet und S2 arbeitet, funktioniert der Wandler wie ein Aufwärtswandler. Da der Entwickler immer nur einen aktiven und ein passiven Schalter einsetzen kann, verringern sich die Verluste gegenüber der synchronen Ansteuerung. Zusätzlich dazu wird der effektive Strom in der Induktivität und in den Schaltern kleiner, was insgesamt zu weniger Verlusten führt.Setzt der Entwickler statt der zusätzlichen Schalter passive Bauteile wie Kondensatoren und Induktivitäten ein, erhält er weitere Konfigurationsmöglichkeiten. Eine dieser Schaltungen ist der SEPIC-Wandler aus Bild 6. Wie der Buck-Boost-Wandler mit einer Induktivität eignet er sich dafür, Ausgangsspannungen zu erzeugen, die größer oder kleiner sind als die Eingangsspannung. Nachdem die Energie dabei über drei passive Bauteile transportiert werden muss, sind die Verluste, die in diesen passiven Bauteilen entstehen, höher. Die Effektivströme, die durch die Schaltung fließen, sind ebenfalls größer und vergleichbar mit denen des Buck-Boost-Wandlers mit einer Induktivität vorausgesetzt, beide aktiven Schalter werden synchron geschaltet. Damit ergeben sich auch größere Verluste in den Schaltern und damit höhere Anforderungen an diese Schalter.Ähnlich wie der SEPIC-Wandler verwendet der so genannte Cúk-Wandler ebenfalls zwei zusätzliche passive Bauteile (Bild 7). Seine Ausgangsspannung ist gegenüber der Eingangsspannung invertiert und kann im Betrag größer oder kleiner als die Eingangsspannung sein. Er wird gelegentlich verwendet, um negative Ausgangsspannungen zu erzeugen. Vorteil: Es muss nur ein aktiver Schalter, der gegen GND geschaltet ist, kontrolliert werden.Dank der heutigen Technologien können Schottky-Dioden durch aktiv angesteuerte MOSFETs ersetzt werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad getakteter Wandler. Der Vorteil zeigt sich in geringeren Verlusten während der aktiven Periode des passi-ven Schalters. Im Unterschied zu Dioden, die eine fast strom-unabhängige Vorwärtsspannung aufweisen, ist bei MOSFETs die Vorwärtsspannung vom Einschaltwiderstand abhängig, der in erster Linie durch die Größe des FETs bestimmt wird. Steht die Technologie für solche FETs, die den hohen Anforderungen genügen, zur Verfügung, lassen sich verlustärmere Schaltungen erzielen. Allerdings ist die Ansteuerschaltung der zusätzlichen MOSFETs aufwändiger.Durch die Verwendung von Power-Save-Modi lässt sich der Wirkungsgrad zusätzlich erhöhen. Vor allem bei geringer Last werden damit die Schaltverluste verringert. Eine einfache Methode, dies zu erreichen, ist, seltener zu schalten. Dabei gibt es zwei grundsätzlich unterschiedliche Verfahren. Man kann erstens die Betriebsfrequenz abhängig von der Last verändern oder zweitens bei konstanter Betriebsfrequenz den Wandler komplett deaktivieren und ihn anschließend wieder aktivieren, sobald ein bestimmter Grenzwert der Ausgangsspannung unterschritten wird. Mit diesem Verfahren ist es zudem möglich, den Eigenverbrauch weiter zu reduzieren, indem der Entwickler einen Teil der Regelschaltung ebenfalls für diesen Zeitraum deaktiviert. Ein Nachteil ist allerdings, dass die Welligkeit der Ausgangsspannung dabei größer werden kann und sich die Frequenz dieser Welligkeit lastabhängig zeigt und damit schwieriger zu filtern ist.Texas InstrumentsTel. +49(0)8161 800

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