Power-Tipp Höhere Effizienz durch adaptive Totzeit

Bei synchronen Schaltreglern ist immer eine Totzeit implementiert. Sie richtig einzustellen ist nicht einfach. Dieser Tipp beschreibt, wie man die Totzeit dynamisch, abhängig von der Leistung optimiert.

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Bei synchronen Schaltreglern werden Schaltknoten mit Hilfe von zwei aktiven Transistoren abwechselnd mit der Versorgungsspannung und der Massespannung verbunden. Bild 1 zeigt ein einfaches Beispiel mit einem synchronen Abwärtswandler (Step-Down Regler).

Würden Schalter A sowie Schalter B gleichzeitig eingeschaltet, hätte man einen Kurzschluss von der Versorgungsspannung nach Masse. Der Stromanstieg würde nur von der parasitären Induktivität des Leitungspfades begrenzt werden, diese parasitäre Induktivität würde jedoch schnell sättigen und sehr hohe Spitzenströme würden erreicht werden.

Diese hohen Ströme würden dann die Transistoren A und B durch Überhitzung zerstören.

Nachdem so etwas in einer Stromversorgung nicht passieren darf, ist bei synchronen Schaltreglern immer eine gewisse Totzeit implementiert. Mit Totzeit ist gemeint, dass weder Schalter A noch Schalter B eingeschaltet sind.

Die stromführende Induktivität in Bild 1 erzwingt, dass sich ein Stromfluss nur kontinuierlich verändern kann, nicht jedoch diskret, also ‚schlagartig‘ wechselt. Somit muss ein Strompfad während der Totzeit zur Verfügung stehen. Wenn ein Transistor ein idealer Schalter wäre, würde die Schaltknotenspannung während der Totzeit gegen minus unendlich Volt streben und die Schalter durch Überspannung zerstören.

Glücklicherweise haben Schalttransistoren einen internen pn-Übergang, eine sogenannte Bodydiode, welche in Bild 1 dargestellt ist. Diese leitet den Induktivitätsstrom während der Totzeit.

Wie man die Totzeit optimieren kann

Es ist nicht einfach diese Totzeit zu optimieren. Ist sie zu kurz, kann es bei unterschiedlichen Temperaturen und Leistungen dazu kommen, dass ein Kurzschluss entsteht. Ist sie zu lang, besteht keine Gefahr, dass die Stromversorgung Schaden nimmt. Es werden jedoch erhöhte Verluste generiert. Dies führt zu einer reduzierten Leistungseffizienz. Solche Verluste werden üblicherweise jedoch in Kauf genommen.

Eine elegante Lösung für dieses Problem ist die Möglichkeit die Totzeit dynamisch abhängig von der momentanen Leistung zu optimieren. Auf diese Art kann der Entwickler eine zuverlässige Stromversorgung entwerfen, welche eine besonders hohe Wandlungseffizienz hat.

Digitale Stromversorgungskontroller eignen sich hervorragend dazu eine adaptive Totzeit zu erzeugen. Bei digitalen Regelungen wird die Ansteuerung der Schalter digital erzeugt. Hier ist es ein Leichtes, Informationen zur Ausgangsleistung in die PWM-Generierung zum Schalten der Leistungstransistoren mit einfließen zu lassen.

Bei analogen Kontrollern wäre eine solche adaptive Totzeitsteuerung sehr aufwändig. Bild 2 zeigt die Erhöhung der Schaltreglereffizienz einer isolierten Vollbrücke mit adaptiver Totzeit sowie ohne adaptive Totzeit.

Die Basis für diese Messung bildet der digitale Controller ADP1051 zur DC/DC Wandlung. Dieser Baustein kann in unterschiedlichen Schaltreglertopologien wie beispielsweise Abwärtswandler (Buck-Regler), Halbbrücken, Vollbrücken und vielen weiteren eingesetzt werden.

* Frederik Dostal arbeitet im Technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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