DC/DC-Wandler Steil abwärts – selbst extreme Abwärtswandler sind beherrschbar

Abwärtswandler zum Umsetzen von Spannungen jenseits von 48 V auf 3,3 V oder darunter stellen höchste Herausforderungen an die Entwickler. Wie es auch einfacher gehen kann, erfahren Sie hier.

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TRACO ELECTRONIC GMBH

RECOM Power GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Micrel Inc.

SuperSwitcher II ist eine Familie von integrierten Synchron-Abwärtsreglern, die sich mit Eingangsspannungen zwischen 4,5 und 75 V betreiben lassen. Diese einfachen MOSFET-DC-DC-Buck-Konverter im MLF-Gehäuse mit den Maßen 5 mm x 6 mm liefern Ausgangsspannungen bis hinunter zu 0,8 V sowie Ströme bis 4 A. Sie basieren auf einem Controller, der nach dem Prinzip der adaptiven Einschaltzeiten-Regelung (On-Time) arbeiten und verwenden die patentierte „Hyper Speed Control“-Architektur. Die Arbeitsweise des Regelkreises lässt sich am besten anhand des Verhaltens bei stationärem Betrieb und bei Laständerungen erklären.

Verhalten des Reglers im stationären Betrieb

Während des stationären Betriebs verhält sich der Regler ähnlich wie ein herkömmlicher Pulsweiten-Modulator. Der integrierte On-Time-Estimator erzeugt auf Basis der Spannungsrückkopplung in einem Fehler-Komparator die On-Time-Phasen für den oberen MOSFET. Während des stationären Betriebs bleibt das Tastverhältnis V_out/V_in konstant. Die daraus resultierende Schaltfrequenz variiert nicht mehr als 10% über den Eingangsspannungsänderungen, sodass sich das Stromversorgungsrauschen einfach filtern lässt. Es handelt sich also um eine modifizierte Regelung für konstante On-Time und konstante Schaltfrequenz.

Bei Lastsprüngen bricht die Ausgangsspannung ein

Bei extremen Lastsprüngen am Ausgang kann die Ausgangsspannung stark einbrechen. Verhindert wird dies mit der Hyper Speed Control, die den oberen MOSFET während des Lastsprungs mit maximaler Frequenz und maximaler On-Time antreibt. So wird die LC-Stufe am Ausgang von den extremen Lastanforderungen nicht überfordert. Erzeugt werden die schnellen „Hyperaktiv“-Impulse durch eine Minimierung der Off-Time des oberen-MOSFET. So kann die durch den Lasttransienten verlorene Energie wieder hereingeholt und die Ausgangsspannung konstant gehalten werden (Bild 1).

Herkömmliche Spannungsmodus-PWM-Regler benötigen mehr Zeit, um auf Lasttransienten zu reagieren, da sie als feste PWMs arbeiten. Allerdings lässt sich das Einbrechen der Ausgangsspannung mithilfe größerer Kapazitätswerte am Ausgang mindern. Die zusätzliche Kapazität muss allerdings einen niedrigen ESR haben, damit sie mit dem Lasttransienten mithalten kann. Gängige Praxis zur ESR-Reduzierung ist die Platzierung mehrerer parallelgeschalteter Keramik-Kondensatoren am Ausgang sowie zusätzliche Kondensatoren auf der Platine. Darüber hinaus kann auch eine größere Induktivität in der Ausgangs-LC-Stufe eingesetzt werden, um die Speicherfähigkeit der LC-Stufe der Schaltung und zu erhöhen und einem Einbruch der Ausgangsspannung bei Laständerungen entgegen zu wirken.

Extreme Tastverhältnisse erfordern hohe Kapazitätswerte bei PWM

Betrachten wir eine einstufige Abwärtswandlung von 48 V auf 1,2 V: erforderlich ist in diesem Fall ein Tastverhältnis von 48 V/1,2 V = 2,5. Ein Tastverhältnis von 2,5 bedeutet, dass der obere MOSFET des Schaltreglers nur 2,5% der Zeit eingeschaltet ist, der untere MOSFET hingegen 97,5%. Basiert ein solcher Wandler auf einem herkömmlichen PWM-Regler, sind hohe Kapazitätswerte notwendig, um mit Lasttransienten zu kompensieren, da zusätzliche Energie nur gespeichert werden kann, wenn der obere MOSFET eingeschaltet ist.

Mit den Reglern der SuperSwitcher II-Familie mit Hyper Speed Control kann die LC-Stufe am Ausgang deutlich kleiner gewählt werden, da Hyper Speed Control die Energie immer exakt zur richtigen Zeit an die LC-Stufe liefert. Damit genügen weniger oder sogar ein einziger Keramik-Kondensator mit sehr niedrigem ESR sowie angemessen dimensionierten Induktivitäten. Somit belegt der POL-Regler nur wenig Platz auf der Platine, das Layout wird einfacher und die Gesamtsystemkosten sinken.

Keine Kompensation dank SuperSwitcher II

Im Gegensatz zu herkömmlichen Spannungs-Modus-PWMs ist bei Lösungen auf SuperSwitcher II-Basis keine umständliche Kompensation notwendig. Der Grund dafür ist die Ripple-Injektion in den Rückkopplungszweig des Reglers. Der Fehler-Komparator in der Hyper Speed Control nutzt den Ripple im Rückkopplungszweig zum kontrollierten Zünden der oberen und unteren MOSFETs in einem digital modifizierten adaptiven On-Time-Regler. Dazu ist eine Ripple-Injektion von 20 bis 100 mV in den Rückkopplungszweig erforderlich.

Bei passender Ripple-Injektion haben die zusätzlichen Kapazitäten hinter dem Regler keinen Einfluss auf die Stabilität des Regelkreises. Das heißt, zusätzliche Ausgangskapazitäten in Form von Tantal-, Elektrolyt- oder anderen Entkopplungs-Kondensatoren haben keinen Einfluss auf die Stabilität des Reglers. Dank dieses einfachen und effektiven Mittels zur Stabilisierung des Reglers muss der Stromversorgungs-Entwickler nicht befürchten, dass Digital- oder System-Entwickler später mit zusätzlichen Kondensatoren hinter dem Regler dessen Stabilität beeinträchtigen. Der Wandler ist somit stabil für jeden Kondensator („Any Capacitor“).

Vom ESR des Ausgangskondensators hängt die Art der Ripple-Injektion ab, wobei es drei Möglichkeiten gibt.

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