Power-Tipp Es muss nicht immer eine Buck-Topologie sein

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Ein abwärtswandelnder Schaltregler (Buck-Topologie) wird verwendet, um eine höhere Spannung in eine niedrigere Spannung umzuwandeln. Falls jedoch eine ungeregelte Zwischenkreisspannung erzeugt werden soll, kann mit einer Ladungspumpe eine höhere Effizienz erreicht werden. Das bringt einige Vorteile.

Zwischenkreisspannungen werden in der Architektur eines Spannungsversorgungssystems verwendet, um Spannungswandler-ICs mit einer niedrigeren Spannungsfestigkeit zu verwenden und auch, um Spannungswandlungsstufen nach dem Buck-Prinzip bei günstigerem Tastverhältnis zu betreiben. Bild 1 zeigt eine Spannungsversorgungsarchitektur für eine 12-V-Versorgungsspannung.

Im ersten Schritt wird eine Zwischenkreisspannung von 6 V erzeugt. Diese muss nicht geregelt sein, da die Zwischenkreisspannung vom System nicht direkt verwendet wird, sondern durch die jeweiligen zweiten Stufen in die benötigten Versorgungsspannungen umgewandelt wird.

Als Wandlungsstufe zum Erzeugen der Zwischenkreisspannung kann ein Abwärtswandler verwendet werden. Dieser benötigt eine Spule und hat je nach Ausführung eine Wandlungseffizienz von ca. 90 %.

Alternativ kann aber auch die Ladungspumpentechnik eingesetzt werden. Ein solcher Regler ist in Bild 2 zu sehen. Mit ihm lässt sich ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielen. Bei einer Wandlung von 12 V nach 6 V wird bei einem Laststrom von 5 A (30 W), eine Effizienz von 97,5 % erreicht. Bei einem Laststrom von 10 A (60 W) wird eine Effizienz von knapp 96 % erzielt.

Diese hohen Effizienzen sind möglich, da ein ausgeklügeltes Ansteuersystem für die integrierten Ladungspumpenschalter verwendet wird. Auch wird durch diese Implementierung ein hervorragende Störfestigkeit (EMV) erreicht.

Ladungspumpe ohne Regelschleife

In Bild 2 ist der Schaltungsaufbau einer Ladungspumpenschaltung zu sehen. Es gibt hierbei keine Regelschleife. Die erzeugte Ausgangsspannung von 6 V folgt der Eingangsspannung von 12 V. Die Ausgangsspannung beträgt immer die Hälfte der Eingangsspannung. Durch diese freilaufende Spannungswandlung, d.h. ohne Regelschleife, wird eine außergewöhnlich hohe Effizienz sowie eine gute EMV-Bilanz erreicht.

Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Schaltung ohne eine Induktivität auskommt. Besonders bei Lastströmen von 10 A sind Spulen groß und kostenintensiv.

Bild 3 zeigt eine Ladungspumpenschaltung mit dem LTC7825 im Simulationsprogramm LTSpice. Diese Software eignet sich hervorragend, um eine Ladungspumpenschaltung zu simulieren. Dadurch können Erkenntnisse gewonnen werden, um die Möglichkeiten sowie Begrenzungen dieser Schaltungsart zu verstehen.

Ladungspumpen sind keine neue Technik, jedoch ist bisher der Einsatz bei Leistungen von mehr als 1 W unüblich. Neue Bausteine, wie der LTC7825, ermöglichen die Verwendung dieser Technologie für Leistungen bis zu 100 W. Für noch höhere Leistungen eignet sich der Baustein LTC7820 als Controller mit externen Leistungsschaltern.

Fazit: Wenn eine Spannung benötigt wird, welche nicht genau geregelt sein muss und die Hälfte einer vorhandenen Versorgungsspannung betragen soll, eignet sich eine Ladungspumpenschaltung besser als ein gewöhnlicher abwärtswandelnder Schaltregler nach dem Buck-Prinzip.

Diese Schaltung arbeitet effizienter, bietet hervorragende EMV und benötigt keine Induktivität. (kr)

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* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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