Induktivitäten im Schaltregler So wählen Sie die richtige Spulenstromwelligkeit

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In vielen Applikationshinweisen wird eine Spulenstromwelligkeit von 30 Prozent bei nominaler Last empfohlen. Warum ist das so? Was passiert, wenn Sie den Welligkeitsfaktor WF zu groß oder zu klein wählen? Diesen Fragen gehe ich im heutigen Power-Tipp nach.

Ein Schaltregler wandelt eine größere oder kleinere Spannung, einen Eingangswert auf einen Ausgangswert. Hierbei wird eine Induktivität genutzt, um kurzzeitig Energie zu speichern.

Die Größe dieser Spule richtet sich nach der Schaltfrequenz des Schaltreglers und dem zu erwartenden Stromfluss durch die Schaltung. Wie wählen Sie nun den richtigen Induktivitätswert aus?

In den meisten Datenblättern und Applikationshinweisen wird eine Spulenstromwelligkeit von 30% im nominalen Lastbetrieb vorgeschlagen. Damit ist gemeint, dass bei nominalem Laststrom die Spulenstromspitzen 15% oberhalb des Durchschnittsstromes und die Spulenstromtäler 15% unterhalb des Durchschnittsstromes liegen.

Welligkeitsfaktor WF: Warum ist 30 Prozent ein guter Kompromiss?

Für einen abwärtswandelnden Buck-Regler wie in Bild 1 gezeigt gilt Gleichung 1.

L = [U_out (1 – D) T] / WF I_out (Gl.1)

Mit Gleichung 1 können Sie den nötigen Induktivitätswert L eines Abwärtswandlers mithilfe des Stromwelligkeitsfaktors WF berechnen. Dieser wird üblicherweise mit 0,3, also 30% Spitze-Spitze-Welligkeit festgelegt. ‚D‘ ist der Duty-Cycle, ‚T‘ ist die Länge des Zyklus' und abhängig von der jeweiligen Schaltfrequenz.

Was passiert bei unterschiedlichen Spulenstromwelligkeiten?

Die rote Kurve in Bild 2 zeigt eine Spulenstromwelligkeit (Welligkeitsfaktor) von 30% am Beispiel einer Schaltung mit einem Ausgangsstrom von 3 A. Dies ist der übliche Kompromiss beim Entwurf eines Schaltreglers. In Blau ist die Spulenstromwelligkeit mit 70% und in Grün die Spulenstromwelligkeit mit 7% dargestellt.

Bild 3 zeigt, was passiert, wenn dieselbe Schaltung nur einen Teil (z.B. 1 A) der nominalen Last als Ausgangsstrom führt. Bei hoher Spulenstromwelligkeit (blaue Kurve in Bild 3) wird die Energie der Spule in jedem Zyklus komplett entladen. Das nennt man Discontinuous Current Conduction Mode (DCM). Hierbei ändert sich die Regelschleifenstabilität und es kann eine höhere Ausgangsspannungswelligkeit entstehen.

Discontinuous Current Conduction Mode (DCM)

Um DCM zu vermeiden, ist ein gewisser Mindestwert für den Welligkeitsfaktor nötig. Ein guter Kompromiss ergibt sich bei einem Welligkeitsfaktor von 30%. Ist der Welligkeitsfaktor kleiner, befindet man sich auch bei Teillasten weitestgehend im Continuous-Current-Conduction-Modus. Die Schaltung kann somit für diesen Betrieb optimiert werden.

Welligkeitsfaktor WF ist zu groß

Bei Welligkeitsfaktoren größer als 30% wird die Induktivität kleiner und dadurch preislich günstiger. Leider steigen die Spitzenströme stark an und erzeugen höhere Störungen als notwendig. Sie gelangen auch erst bei höheren Lastströmen in den „Continuous Current Conduktion“-Modus.

Das ist zwar nicht unbedingt ein Problem, allerdings ist das Betriebsverhalten in diesem Modus abgeändert und muss beim Entwurf der Schaltung berücksichtigt werden. Die Ausgangsspanungswelligkeiten sind höher als bei einer kleineren Spulenstromwelligkeit.

Welligkeitsfaktor WF ist zu klein

Bei Welligkeitsfaktoren kleiner als 30% ist die Induktivität groß und entsprechend kostenintensiv. Die Lasttransienten sind langsam, da der Energiespeicher besonders groß ist.

Wird beispielsweise ein hoher Laststrom schnell abgetrennt, muss die in der Spule gespeicherte Energie irgendwo hin. Diese erhöht auf dem Ausgangskondensator (C_out) die Spannung. Je mehr Energie in der Spule ist, desto höher ist dieser Ausgangsspannungsüberschuss. Er kann die mit Spannung versorgte Schaltung beschädigen.

Fazit: Wenn Sie die Vor- und Nachteile von unterschiedlichen Spulenstromwelligkeitsfaktoren abwägen, stellen Sie fest, dass Werte um die 30% für die meisten Anwendungen ein guter Kompromiss sind. Sie können natürlich im Einzelfall davon abweichen, wenn Sie mit den oben beschriebenen Auswirkungen leben können. (kr)

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

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