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Hybrid-DC/DC-Wandler halbiert die Größe eines IBC

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Analog Devices

Mittels Onboard-Timer ist eine Restart/Retry-Zeit einstellbar, und über einen EXTVCC-Anschluss kann der LTC7821 entweder von einer niedrigeren Spannung des Wandlers versorgt werden oder von einer anderen Quelle mit maximal 40 V. Das reduziert den Leistungsverbrauch und erhöht die Effizienz. Weitere besondere Merkmale sind die Genauigkeit der Ausgangsspannung von +/-1% über die Temperatur, ein Taktausgang für den Mehrphasenbetrieb, ein Power-good-Ausgangssignal, der Kurzschlussschutz, der monotone Ausgangsspannungs-Anlauf, die optionale externe Referenz, die Unterspannungs-Abschaltung und die interne Lade-Balancierungsschaltung. Bild 3 zeigt den LTC7821 in einer Wandler-Schaltung, die eine Eingangsspannung von 36 V bis 72 V auf einen Ausgangswert von 12 V/20 A umsetzt.

Den Vergleich der Wirkungsgrade für drei Wandler mit Eingangsspannung 48 VIN auf einen Ausgang mit 12 VOUT und 20 A zeigt Bild 4. Die gestrichelte blaue Linie visualisiert den Effizienzverlauf des einstufigen Abwärts-Wandler mit 125 kHz und 6-V-Gate-Ansteuerung, die rote Linie gehört zum einstufigen Abwärts-Wandler mit 200 kHz und 9-V-Gate-Ansteuerung und die grün gestichelte Linie ist der Wirkungsgradverlauf des Hybridwandlers LTC7821 mit 500 kHz und 6-V-Gate-Ansteuerung. Eine auf dem LTC7821 basierte Schaltung läuft mit der dreifach höheren Schaltfrequenz als die beiden anderen gezeigten Wandler mit derselben Effizienz. Aus der höheren Betriebsfrequenz resultiert eine 56%ige Reduktion der Baugröße der Induktivitäten und eine 50%ige Reduktion der Gesamtgröße.

Bildergalerie

Kondensator-Pre-Balancierung und Hauptregelschleife

Wandler mit geschalteten Kapazitäten zeigen gewöhnlich sehr hohe Stromwerte beim Anlegen der Eingangsspannung oder beim Ausschalten des Wandlers.

Um dadurch möglichen Beschädigungen vorzubeugen, nutzt der LTC7821 ein proprietäres Verfahren und lädt alle Schaltkapazitäten vor, bevor das PWM-Signal des Wandlers anliegt. Das minimiert den Einschaltstrom. Zusätzlich hat der LTC7821 einen programmierbaren Fehlerschutzbereich, der einen zuverlässigen Betrieb des Wandlers sicherstellt.

Damit wird ein Soft-Start der Ausgangsspannung erzielt, wie er auch von anderen konventionellen Current-Mode-Abwärts-Wandlern geboten wird. Das Datenblatt des LTC7821 zeigt hierzu weitere Details.

Nach Beendigung der Kapazitäts-Balancierung arbeitet der Wandler im Normalbetrieb. Die MOSFETs M1 und M3 sind eingeschaltet, wenn der Takt den RS Latch setzt, und ausgeschaltet, wenn der Haupt-Strom-Komparator ICMP den RS Latch zurücksetzt. Die beiden MOSFETs M2 und M4 sind dann eingeschaltet.

Der Induktor-Spitzenstrom, der an ICMP den RS Latch zurücksetzt, wird von der Spannung am Pin ITH gesteuert, das ist der Ausgang des Fehlerverstärkers EA. Der Pin VFB erhält das Spannungsrückkoppelsignal, welches vom EA mit der internen Referenzspannung verglichen wird.

Beim Anstieg des Laststroms führt dies zu einem leichten Rückgang an VFB relativ zur 0,8-V-Spannung der Referenz, was wiederum die Spannung ITH ansteigen last, bis der durchschnittliche Induktor-Strom an den neuen Laststrom angepasst ist.

Nachdem MOSFETs M1 und M3 ausgeschaltet sind, sind die MOSFETs M2 und M4 bis zum Beginn des nächsten Zyklus eingeschaltet. Während des Schaltens von M1/M3 und M2/M4, wird der Kondensator CFLY wechselweise in Serie oder parallelgeschaltet zu CMID. Die Spannung an MID liegt dann bei etwa VIN/2. Das heißt der Wandler arbeitet dann wie ein konventioneller Current-Mode-Abwärts-Wandler mit einer schnellen und präzisen Cycle-by-Cycle-Strombegrenzung und der Option für die Stromaufteilung.

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* Bruce Haug ist Product Marketing Manager bei Analog Devices in Milpitas, U.S.A.

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