Power-Tipp Schaltregler: Was passiert, wenn Pulse weggelassen werden?

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Beim Evaluieren der Schaltung kommt die Überraschung: Die aufgebaute Schaltung schaltet nicht bei der eingestellten Schaltfrequenz, sondern bei einer anderen. Wir klären in diesem Power-Tipp, woran das liegen kann.

Schaltregler für eine Spannungswandlung laufen üblicherweise mit einer einstellbaren oder fest vorgegebenen Schaltfrequenz. Diese ist meist auf der ersten Seite eines Datenblattes des Schaltregler-ICs aufgeführt.

Für die Stromversorgungsschaltung ist die Auswahl der Schaltfrequenz wichtig, da Bauform und Kosten der externen passiven Komponenten davon beeinflusst werden. Außerdem ist die zu erreichende Wandlungseffizienz davon abhängig.

Für die komplette elektronische Schaltung, also nicht nur für den Spannungswandler, sondern auch andere Schaltungsteile im System, ist die genutzte Schaltfrequenz ebenfalls wichtig. Üblicherweise versucht man die Schaltfrequenz in einen Frequenzbereich zu legen, bei welcher das gesamte System am wenigsten gestört wird.

Die Schaltfrequenz eines Schaltreglers wird in der Regel durch kapazitive und induktive Kopplung in alle Bereiche einer elektronischen Schaltung auf der Leiterplatte gekoppelt. Ursache sind parasitäre Effekte.

Nach der erfolgreichen Auswahl einer sinnvollen Schaltfrequenz kommt bei vielen Entwicklern die große Überraschung beim Evaluieren der realen Schaltung. Die aufgebaute Schaltung schaltet oft nicht wie erwartet bei der selektierten Schaltfrequenz. Zwei Gründe erkläre ich in diesem Power-Tipp.

Burst-Modus für bessere Effizienz

Viele Anwendungen benötigen eine sehr hohe Wandlungseffizienz selbst bei geringen Ausgangslasten. Wenn die benötige Ausgangsleistung nur bei wenigen mW liegt, fällt der Versorgungsstrom für den Schaltregler selbst überproportional stark ins Gewicht. Dies gilt im Besonderen, wenn die Effizienz in Prozent betrachtet wird.

Um in solchen Fällen die Effizienz zu steigern, wird der Schaltregler-IC häufig mit einem speziellen ‚Burst‘-Modus ausgestattet. Bild 1 zeigt die Spannungsverläufe eines Schaltreglers im Burst-Modus. Der Schaltknoten schaltet einige Male, und wechselt dann in einen längeren Ruhebereich.

Während dieser Zeit werden viele Funktionen des Schaltregler-ICs in einen Ruhemodus versetzt, in welchem nur sehr geringe Versorgungsenergie benötigt wird. In Bild 1 ist die Schaltknotenspannung, der Spulenstrom sowie die Ausgangsspannung zu sehen.

Die Ausgangsspannung hat während des Betriebes im Bust-Modus eine erhöhte Spannungswelligkeit. Diese hat eine sehr viel geringere Frequenz als die Spannungswelligkeit, welche im regulären Betrieb von der Schaltfrequenz vorgegeben wird. Je nach Spannungswandler-IC und Schaltungsbedingungen wird der Betrieb während der Burst-Phase mit nur sehr wenigen, beispielsweise einem Puls, oder auch mit recht vielen Pulsen implementiert.

Üblicherweise werden so viele Pulse erzeugt, bis die Ausgangsspannung eine eingestellte obere Schwelle erreicht hat. Dann wird pausiert, bis die Ausgangsspannung unter eine minimale Schwelle gefallen ist. Hier wird zwar immer noch während der Pulse mit der selektierten Schaltfrequenz geschaltet, im Spektrum tritt jedoch auch noch die viel geringere Frequenz, die durch die Burst- und die Pause-Phasen definiert ist, auf.

Was passiert im Pulse-Skipping-Modus?

Neben dem Burst-Modus gibt es auch den Pulse-Skipping-Modus. Dieser kann bei vielen Typen von Spannungswandlern auftreten. Viele Topologien sind so beschaffen, dass mit jedem Puls am Schaltknoten, basierend auf einer üblichen minimalen On-Zeit, immer eine gewisse Energiemenge von der Eingangsseite des Spannungswandlers auf die Ausgangsseite gebracht wird.

Wenn jedoch zu diesem Zeitpunkt keine oder nur wenig Energie von der Last benötigt wird, steigt die Ausgangsspannung. Um zu verhindern, dass die Ausgangsspannung zu stark ansteigt, werden einige Pulse ausgelassen. Auch hier wird die Spannungswelligkeit der Ausgangsspannung erhöht.

Der Pulse-Skipping-Modus wird üblicherweise durch einen Überspannungskomparator am Feedback-Knoten aktiviert. Wird beispielsweise jeder zweite Puls weggelassen, würde man im Spektrum (FFT-Darstellung) eine Schaltfrequenz erkennen, welche der Hälfte der eingestellten Schaltfrequenz entspricht.

Im Gegensatz zum Burst-Modus wird beim Pulse Skipping nur die Ausgangsspannung in einem gewissen Bereich gehalten, jedoch keine besondere Energie eingespart. Die Wandlungseffizienz erhöht sich also nur unwesentlich.

Fazit: Wenn also ein Schaltregler bei einer anderen Schaltfrequenz schaltet, als der eingestellten, kann es daran liegen, dass sich die Schaltung in einem Burst- oder Pulse-Skipping-Modus befindet.

Bei dieser Diagnose sollten Sie aber auch beachten, dass es für das Auftreten von nicht kontinuierlichen Pulsen am Schaltknoten noch viele weitere Ursachen geben kann, beispielsweise eine generelle Regelschleifeninstabilität, das Erreichen einer vorhandenen Strombegrenzung, eine Erwärmung bis oberhalb einer Temperaturabschaltung und noch vieles mehr.

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

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