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Direkte Abwärtswandler

Breitere Komponentenauswahl dank neuer Wandler-Topologien

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Bild 3: Vereinfachtes Schema der Buck-Konverter-Topologie
Bild 3: Vereinfachtes Schema der Buck-Konverter-Topologie
(Bild: Future)
Bild 3 zeigt ein vereinfachtes Schema eines Buck-Wandlers. Q2 übernimmt eine ähnliche Funktion wie Q1 in einem Flyback-Konverter. Diode D2 ist ein Gleichrichter. Lp1 und C2 operieren als Tiefpassfilter. Die typischen Wellenformen dieser Schaltung zeigt Bild 4. Wenn Q2 geschlossen und TON an ist, fließt Strom durch diese Schaltung, der die Spule Lp1 auflädt. D2 verhält sich währenddessen entgegengesetzt und leitet keinen Strom. Wenn durch die Steuerung Q2 ausgeschalten wird, setzt die Spule Lp1 ihre Energie frei. Der gespeicherte Strom fließt durch D2, bis der Regler Q2 wieder aktiviert.

In einem Flyback-Konverter ist der MOSFET geerdet

Bild 4: Wellenformen der Buck-Konverter-Schaltung
Bild 4: Wellenformen der Buck-Konverter-Schaltung
(Bild: Future)
In einem Flyback-Konverter ist der MOSFET geerdet. Da es sich normalerweise um einen N-Kanal-MOSFET handelt, kann er durch die Erdung der Quelle leichter ein- und ausgeschaltet werden. Buck-Wandler verfügen hingegen meist über einen potenzialfreien Transistor. Ist in einem System nur ein Netzteil vorhanden, spielt es keine Rolle, ob der positive oder negative Pol stabilisiert wird. Dies ermöglicht eine Änderung der Schaltung wie in Bild 3 dargestellt. Wenn der Schalter und die Gleichrichter-Diode vertauscht werden (Bild 5), wechselt die Induktivität von positiv zu negativ und reduziert dadurch elektromagnetische Störungen (EMI).

Die Quelle von Q3 ist nun geerdet

Bild 5: Buck-Converter-Topologie nach dem Wechsel der Position von MOSFET und Diode
Bild 5: Buck-Converter-Topologie nach dem Wechsel der Position von MOSFET und Diode
(Bild: Future)
Jetzt ist die Quelle von Q3 geerdet, wie in der in Bild 1 dargestellten Flyback-Topologie. Damit funktioniert der Regler (durch Integration des Q3-MOSFETs) in dieser Buck-Konverter-Schaltung auf die gleiche Weise wie in einem Flyback-Konverter. Der einzige Unterschied besteht darin, dass er durch Diode D3 und die einzige Spule Lp2 an zwei externe Komponenten angeschlossen ist.

Der Flyback-Controller in der Buck-Konverter-Schaltung

Wie funktioniert nun diese Feedback-Anordnung mit einem Flyback-Controller in dieser Buck-Konverter-Schaltung? Das Rückkopplungssignal (siehe unten) bestimmt die Frequenz und die Pulsweite des Schalters, was sich wiederum auf die Ausgangsspannung auswirkt. Aus Sicht des Controllers spielt es keine Rolle, ob der vom Schalter freigegebene Strom in einem Transformator oder in einer einfachen Spule gespeichert wird, solange sich die Spannung innerhalb eines zulässigen Bereichs bewegt. Diese kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

Bild: Futore Electronics
Bild: Futore Electronics

Dabei sind iL = Spulenstrom, Vin = Eingangsspannung, Vout = Ausgangsspannung, L = Induktivitätswert, fosc = Schaltfrequenz und Iload = Laststrom. Diese Kontrollfunktion wird heute normalerweise in Offline-Abwärtsreglern mit einem speziellen Buck-Konverter-Controller implementiert. Allerdings verdeutlicht der obige Ansatz, dass ein Flyback-Kontroller-Konverter theoretisch in dem Buck-Konverter-Schaltkreis eingesetzt werden kann, um die Schaltung des MOSFETs zu steuern. Es stellt sich allerdings die Frage, welche Art von Rückkopplung benötigt wird, um dies zu ermöglichen.

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