Power-Tipp Schaltregler: Was Sie bei der Schaltfrequenz beachten müssen

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Der Trend bei Schaltreglern geht zu höheren Schaltfrequenzen, weil sich dadurch kompakte und günstige Schaltungen entwerfen lassen. Allerdings variiert die Schaltfrequenz von Baustein zu Baustein. Wir geben einen Überblick zu den Einflussfaktoren.

Getaktete Spannungsversorgungen schalten mit einer Schaltfrequenz. Diese ist entweder fest vorgegeben, einstellbar oder auch auf einen externen Takt synchronisierbar. Die Höhe der Schaltfrequenz bestimmt die Bauform und dadurch auch die Kosten für externe Kondensatoren und Induktivitäten.

Die in Schaltregler-ICs eingebauten Oszillatoren sind im Datenblatt meist über einen sehr breiten Frequenzbereich spezifiziert. Der monolithische Abwärtswandler ADP2386 garantiert beispielsweise die eingestellte Schaltfrequenz mit einer Abweichung von ±10%. Andere Schaltregler haben Abweichungen von ±20% oder mehr. Der mit dem Widerstand RT auf eine Schaltfrequenz von 600 kHz eingestellte Schaltregler ADP2386 schaltet also im Extremfall mit 540 kHz oder auch mit 660 kHz (Bild 1).

Diese mögliche Schaltfrequenzvariation von insgesamt 20% muss bei der Auslegung der Schaltung berücksichtigt werden, da sich die Spitzenströme über der Induktivität abhängig von der Schaltfrequenz ändern. Die Stromwelligkeit in der Induktivität beeinflusst direkt die Spannungswelligkeit der Ausgangsspannung.

Bild 2 zeigt den Einfluss der Schaltfrequenz auf die Stromwelligkeit in der Induktivität. Die nominale Schaltfrequenz von 600 kHz ist blau dargestellt. Das Minimum (540 kHz) der Schaltfrequenz ist rot und das Maximum (660 kHz) grün gekennzeichnet. Es ist zu erkennen, dass sich bei der minimalen Schaltfrequenz von 540 kHz der nominal eingestellten 600 kHz eine Spitze-Spitze-Stromwelligkeit von 1,27 A ergibt. Bei derselben Frequenz (600 kHz) kann ein Schaltregler jedoch auch bei 660 kHz schalten, was einer Stromwelligkeit von 1,05 A entspricht.

Durch die Streuung der Schaltfrequenz von Baustein zu Baustein kann sich in einer Schaltung über dem gesamten zulässigen Temperaturbereich ein Unterschied der Spulenstromwelligkeit von 220 mA ergeben.

Die Strombegrenzung eines Schaltreglers müssen Sie darauf abstimmen. Der Wert der Spitzenströme muss niedrig genug sein, um eine vorhandene Überstrombegrenzung nicht während des normalen Betriebes zu aktivieren.

Temperatur- und andere Einflüsse

Bei dieser Betrachtung sind alle weiteren Variationen, die in der Realität ebenfalls auftreten können, wie Streuung von Induktivitäts- und Kapazitätswerten nicht berücksichtigt.

Für die Ausgangsspannungswelligkeit ergibt die entsprechende Veränderung der Stromwelligkeit die in Bild 3 gezeigten Werte. Die Schaltung ist so ausgelegt, dass bei einer Schaltfrequenz von 600 kHz eine Spannungswelligkeit von 4,41 mV auftritt. Bei einer Schaltfrequenz von 540 kHz ergibt sich eine Spannungswelligkeit von 5,45 mV und bei 660 kHz eine Spannungswelligkeit von 3,66 mV.

Bei den obigen Überlegungen ist nur die mögliche Varianz der Schaltfrequenz unterschiedlicher Bausteine über dem zulässigen Temperaturbereich berücksichtigt. In einem echten Spannungswandler gibt es noch viele weitere Variablen, wie beispielsweise die Streuung der realen Werte bei Induktivität und Kondensatoren. Diese werden zusätzlich durch die Betriebstemperatur beeinflusst.

Sie können jedoch davon ausgehen, dass die tatsächliche Variation der Schaltfrequenz in den meisten Fällen nicht bis zu den Grenzwerten von ±10% reicht. In der Regel wird sich das Verhalten um einen Wert in der Mitte des spezifizierten Bereiches einpendeln.

Für eine systematische Betrachtung aller dynamischen Variablen einer Spannungsversorgung bietet eine Monte-Carlo-Simulation Antworten. Dabei werden die Streuungen unterschiedlicher Bausteine und veränderbare Parameter gewichtet nach der Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens miteinander verknüpft. Mit LTspice lassen sich Monte-Carlo-Simulationen durchführen.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 10/2020 (Download PDF)

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

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