Auswahl der richtigen Betriebsfrequenz für eine Stromversorgung

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Wie man sieht, wird das Volumen des Schaltreglers bei niedrigen Schaltfrequenzen klar von den passiven Bauelementen dominiert. Je höher die Schaltfrequenz ist, desto mehr fällt das Halbleitervolumen ins Gewicht.

Von einem konstanten Volumen für die Halbleiter auszugehen, ist allerdings eine zu starke Vereinfachung. In Halbleitern entstehen zwei Verlustarten, nämlich Leitungs- und Schaltverluste. Leitungsverluste in einem synchronen Abwärtsregler entstehen in den MOSFETs und sind umso größer, je kleiner die Chipfläche ist. Je größer die MOSFET-Fläche dagegen ist, desto geringer ist ihr Widerstand, und desto niedriger sind auch die Leitungsverluste.

Was verursacht Leitungs- und Schaltverluste und wie senkt man diese

Die Schaltverluste hängen davon ab, wie schnell der MOSFET schaltet und welche Eingangs- und Ausgangskapazitäten er aufweist. Diese sind von der Größe des Bauelements abhängig. So wird ein größeres Bauelement längere Schaltzeiten , und höhere Kapazitätswerte aufweisen.

Bild 2 veranschaulicht diese Trends für zwei unterschiedliche Schaltfrequenzen. Die Leitungsverluste (Pcon) sind unabhängig von der Schaltfrequenz, während die Schaltverluste (Psw F1 und Psw F2) direkt damit zusammenhängen. So führt eine höhere Schaltfrequenz von Psw F2 zu höheren Schaltverlusten.

Bei jeder der beiden Schaltfrequenzen stellt sich ein minimaler Gesamtverlust ein, wenn die Schalt- und Leitungsverluste gleich groß sind. Dieser ist bei der höheren Frequenz größer.

Eine höhere Schaltfrequenz hat den Vorteil, dass die optimale Chipfläche kleiner ist, was sich in Kosteneinsparungen bemerkbar machen kann. Bei den niedrigen Frequenzen, wie sie in der Praxis verwendet werden, führt das Auffangen von Verlusten durch Verändern der Chipfläche zu einem übermäßig teuren Design.

Bewegen wir uns dagegen in Richtung höherer Schaltfrequenzen, können wir durch Optimierung der Chipfläche die Verluste senken und somit das Volumen verringern, das die Halbleiter innerhalb eines Schaltreglers beanspruchen. Die Kehrseite ist, dass die Wirkungsgrade sinken werden, wenn in der Halbleitertechnologie keine Verbesserungen erzielt werden.

Erhöht man die Schaltfrequenz, sollten die Kosten sinken

Erhöht man die Schaltfrequenz eines Schaltreglers, sollten seine Kosten sinken. Bei einer höheren Schaltfrequenz verringert sich das Volumen der Induktivität, und es werden Einsparungen beim Kernmaterial möglich. Außerdem sinken die Anforderungen an den Ausgangskondensator. Bei Keramikkondensatoren bedeutet dies, dass entweder geringere Kapazitätswerte ausreichen oder dass man mit weniger Kondensatoren auskommt. Zudem verringert sich die Halbleiter-Chipfläche, was die Kosten ebenfalls senkt.

Um die richtige Frequenz zu ermitteln, gilt es also, den besten Kompromiss aus Größe, Wirkungsgrad und Kosten zu finden. Tendenziell erzielen die Lösungen mit niedrigeren Schaltfrequenzen die besten Wirkungsgrade, aber sie sind auch die am größten und teuersten. Ein Übergang hin zu höheren Schaltfrequenzen verbessert die Größen- und Kostensituation, was aber mit steigenden Verlusten erkauft werden muss.

Beim nächsten Mal wenden wir uns in Tipp 2 der Frage zu, wie man dem Rauschen in Schaltreglern am besten zu Leibe rückt.

* *Robert Kollman ist Senior Applications Manager und Distinguished Member of Technical Staff bei Texas Instruments.

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