DC/DC-Wandler So werden hochkapazitive Lasten am DC/DC-Wandler beherrschbar

Kapazitive Lasten am Ausgang von DC/DC-Wandlern können Systementwickler vor hohe Herausforderungen stellen. Wir verraten Ihnen, wie sich diese mit einfachen Mitteln bewältigen lassen.

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Kapazitäten am Eingang von DC/DC-Wandlern spielen eine wichtige Rolle für die Stabilität des Wandlers und dessen EMV-Filter am Eingang. Große Kapazitäten am Ausgang der Wandler können jedoch eine große Herausforderung an das Stromversorgungssystem bedeuten. Etliche der vom Wandler versorgten Lasten wie gepulste Leistungsverstärker oder andere Wandler benötigen für einen sauberen Betrieb eine Kapazität am Eingang. Übersteigen diese Kapazitäten jedoch die vom DC-Power-System erlaubten Werte, können die maximal zulässigen Ströme während der Hochlaufphase sowie im Betrieb überschritten werden.

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Des Weiteren kann es auch zu Instabilitäten im System kommen, mit der Folge von Betriebsstörungen und vorzeitigen Ausfällen. Mit dem Einsatz einiger einfachen Techniken im Stromversorgungssystem können aber auch hohe kapazitive Lasten effizient und zuverlässig betrieben werden. Durch einen langsameren Anstieg der Lastspannung beim Einschalten wird der Strom in die Kondensatoren reduziert und durch eine Begrenzung des Ladestroms in die Kondensatoren wird eine Überlast im Betrieb vermieden. Eine Anpassung der Regelschleife hält das System stabil und innerhalb der erlaubten Spannungswerte.

Hohe Ausgangsströme beim Systemstart vermeiden

Während des Starts hat ein typischer DC/DC-Wandler eine Standard-Hochlaufkurve, die durch das Hochfahren der internen Referenz vorgegeben ist. Ein entladener Kondensator am Ausgang des Wandlers erscheint dabei wie eine Last mit niedriger Impedanz und bereits einige wenige Schaltzyklen im Wandler können einen Ausgangsstrom bewirken, der über dem zulässigen Maximalstrom liegt.

Dieser Ladevorgang des Kondensators lässt sich mit einer Schaltung höherer Impedanz realisieren, die den Ladestrom begrenzt, bis eine definierte Spannung am Kondensator erreicht wird. Danach kann diese höhere Impedanz entfernt oder durch eine niederohmige Komponente wie einen FET überbrückt werden. Der Wandler liefert dann seine maximale Spannung für zum weiteren Laden des Kondensators.

Der optimale Umschaltpunkt

Die Einschaltzeit des FETs und die Differenz zwischen Wandlerausgang und Kondensatorspannung bestimmen den für die vollständige Ladung des Kondensators benötigten Strom. Es ist daher wichtig, den Umschaltpunkt für die Spannung am Kondensator so zu wählen, dass der Wandler beim Einschalten des FETs nicht überlastet wird. Die Blockschaltung in Bild 1 kann dazu verwendet werden, den Kondensator bis zu einer festgelegten minimalen Spannung vorzuladen. U2 kontrolliert den FET, der die Impedanz Z kurzschließt und U1 arbeitet zusammen mit U2, um die Einschaltspannung und die Lastfreigabe zu definieren.

Beim Einschalten wird der Wandler sowohl durch die Verbraucher im System als auch durch den Kondensator belastet. Ziehen jedoch diese Verbraucher schon während des Hochfahrens aus dem Kondensator einen Strom, der ja durch Z begrenzt ist, erreicht die Spannung am Kondensator eventuell nie den für das Umschalten notwendigen Wert. Viele dem Wandler nachgeschalteten Verbraucher haben eine Unterspannungsabschaltung und benötigen daher während dieser Phase wenig Strom.

Liegt dieser Schaltpunkt aber unter dem für die Schaltung der Kondensatorladung definierten Wert, sollte eine zusätzliche externe Freigabeschaltung für die Last implementiert werden. Handelt es sich um eine reine Widerstandslast, kann ein Serienschalter die Last verbinden, sobald der Kondensator geladen ist. Bild 2 zeigt Spannungs- und Stromverläufe eines Systems beim Laden eines 10-mF-Kondensators.

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