Power-Tipps von TI, Teil 5 Buck-Boost-Spannungsregelung mit einem Abwärtsregler

Elektronische Schaltungen werden typischerweise an geregelten positiven Ausgangsspannungen betrieben, die häufig von Abwärts-Schaltreglern geliefert werden. Wird außerdem eine negative Ausgangsspannung benötigt, dann kann derselbe Abwärtsregler in einer Buck-Boost-Topologie konfiguriert werden.

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Ein Buck-Boost-Schaltregler mit negativer Ausgangsspannung, gelegentlich auch als invertierender Sperrwandler bezeichnet, der mit einem Tastverhältnis von 50 % arbeitet, liefert eine Ausgangsspannung, die vom Betrag her gleich der Eingangsspannung ist, aber eine umgekehrte Polarität aufweist.

Dieser Regler besitzt die Fähigkeit, die Ausgangsspannung bei schwankender Eingangsspannung durch Ändern des Tastverhältnisses abwärts („Buck“) oder aufwärts („Boost“) nachzuregeln und so konstant zu halten.

Bild 1 zeigt eine vereinfachte Buck-Boost-Schaltung und die Schaltspannung an der Induktivität. Die Ähnlichkeit dieser Schaltung mit einem Standard-Abwärtsregler sollte unmittelbar ersichtlich sein. In der Tat ist sie auch identisch mit einem Abwärtsregler, nur mit dem Unterschied, dass die Polarität von Ausgangsspannung und Masse umgekehrt ist.

Diese Anordnung funktioniert auch bei einem synchronen Abwärtsregler. Damit enden die Ähnlichkeiten mit einem Abwärts- oder einem synchronen Abwärtsregler aber auch schon, denn die Schaltung arbeitet anders als ein Abwärtsregler.

Die Spannungen, die während der FET-Schaltintervalle an der Induktivität anliegen, unterscheiden sich von denen eines Abwärtsreglers. Wie bei einem Abwärtsregler muss das Produkt aus Spannung und Zeit (V-µs-Produkt) ausgeglichen sein, damit eine Sättigung der Induktivität vermieden wird. Während der FET-Einschaltzeit, die in Abbildung 1 als ton-Intervall angegeben ist, liegt über der Induktivität die volle Eingangsspannung an.

Diese positive Spannung am „punktseitigen“ Ende der Induktivität bewirkt einen rampenförmigen Anstieg des Stromes. Dieser erzeugt während der Einschaltzeit ein bestimmtes V-µs-Produkt über der Induktivität. Während der FET-Ausschaltzeit (tOFF) muss die Spannung über der Induktivität ihre Polarität umkehren, um den Stromfluss aufrecht zu erhalten, wobei die Spannung am punktseitigen Ende der Induktivität in den negativen Bereich gezogen wird.

Der Strom durch die Induktivität sinkt rampenförmig und fließt durch die Last sowie den Ausgangskondensator zurück durch die Diode. Das V-µs-Produkt über der Induktivität während der Ausschaltzeit muss gleich dem V-µs-Produkt während der Einschaltzeit sein. Da VIN und VOUT feste Werte sind, lässt sich der Ausdruck für das Tastverhältnis (D) D = VOUT/(VOUT – VIN) leicht ableiten.

Der Steuerungskreis ermittelt das für die Aufrechterhaltung der geregelten Ausgangsspannung erforderliche Tastverhältnis. Für diesen Ausdruck und den Signalverlauf in Abbildung 1 gilt die Annahme, dass die Induktivität kontinuierlich von Strom durchflossen wird (Continuous-Conduction-Betrieb).

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