Steil abwärts – selbst extreme Abwärtswandler sind beherrschbar

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TRACO ELECTRONIC GMBH

RECOM Power GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Micrel Inc.

Welligkeit bei großem ESR des Kondensators

Hat der Ausgangs-Kondensator einen großen ESR (Bild 2), wie es bei den meisten Tantal- und Elektrolytkondensatoren der Fall ist, ist die Ausgangsspannung aufgrund des großen ESRs von C_out wellig. Deshalb wird auch die durch R₁/R₂ heruntergeteilte am Feedback-Eingang FB anliegende Rückkopplungsspannung Ripple-behaftet sein. Die resultierende Welligkeit im Rückkopplungszweig wird von der folgenden definiert:

ΔV_FB(pp) = (R₂/(R₁+R₂) ESR_COUT ΔI_L(pp)

ΔI_L(pp) ist dabei der Spitze-zu-Spitze-Wert des Ripplestroms in der Spule. Die heruntergeteilte Ripplespannung im Rückkopplungszweig sollte innerhalb des geforderten Bereichs von 20 bis 100 mV liegen.

Der Ripple im Rückkopplungszweig reicht nicht immer

Hat der Ausgangs-Kondensator zwar einen relativ kleinen ESR, ist aber nicht ganz so gut wie ein Keramik-Kondensator (Bild 3), dann reicht der Ripple im Rückkopplungszweig möglicherweise nicht aus (weniger als 20 mV). In diesem Fall kann ein Vorwärtskopplungs- Kondensator C_ff mit 1 bis 100 nF verwendet werden, um die Welligkeit in den Rückkopplungszweig einzukoppeln. Dies könnte bei der Verwendung von Tantal-Kondensatoren der Fall sein.

Extrem niedriger ESR ist ein Fall für SuperSwitcher II

Wird als Ausgangskondensator C_out ein Keramik-Kondensator verwendet, ist die ESR so niedrig, dass der Rückkopplungszweig nahezu Ripple-frei ist (Welligkeit <20 mV) und am Feedback-Eingang FB keine ausreichende Ripple-Spannung ansteht (Bild 4). Deshalb ist eine Ripple-Injektion nötig, indem Ripple vom Switch-Knoten SW in den Rückkopplungszweig abgeleitet werden, und zwar über R_inj und C_inj sowie teils via C_ff. Für Anwendungen, bei denen R₁ und R₂ im kΩ-Bereich sind, kann man C_ff = 4,7 nF und C_inj = 0,1 μF wählen. Diese Werte stellen ein Einkoppeln des gewünschten Bereichs von Frequenzen in den Rückkopplungszweig. Dann kann R_inj nach

berechnet oder empirisch ermittelt werden, um die gewünschte 20 bis 100 mV Welligkeit im Rückkopplungszweig zu erreichen.

Sobald die endgültige Schaltung feststeht, ist es in allen drei Fällen sollte kontrolliert werden, ob die die Ripple-Einkopplung in den Rückkopplungszweig auch wirklich zwischen 20 mV bis 100 mV liegt. Durch eine schnelle Messung lässt sich eine ordnungsgemäße Ripple-Injektion sicherstellen, die allen parasitären Elementen Rechnung trägt, die sich letztendlich auf der PCB befinden, und dann entsprechend Änderungen vornehmen.

Referenzschaltkreis

Bild 5 zeigt eine komplette Schaltung eine „Extrem-Abwärtswandlers“ auf Basis der SuperSwitcher II-Bausteine MIC28510. Die Eingangsspannung kann zwischen 4,5 und 75 V liegen, während der Ausgang konstant 3,3 V bei 4 A liefern kann. Diese Beispielschaltung wurde mit einem Keramik-Ausgangskondensator aufgebaut. Die Koppelbausteine R_inj und C_inj sind rot eingekreist. Die resultierende Schaltung ist stabil, auch wenn in der Reglerschaltung weitere hohe Kapazitätswerte vorhanden sein sollten.

Abwärtswandler für extreme Tastverhältnisse

Betrachtet man nochmals die Spannungwandlung von 48 auf 1,2 V mit einer On-Time von nur 2,5%. Mit den SuperSwitcher II-Bausteinen lässt sich selbst bei diesem extremen Verhältnis von Ein- zu Ausgangsspannnung eine geradeliniger Abwärtswandler mit hervorragender Netz-und Lastregelung realisieren. Da Eingangsspannungen bis 75 V erlaubt sind, eignen sich die Bausteine bestens für automobile und industrielle Anwendungen, in denen der Regler einen Vin von 12 oder 36 V hat, aber Laständerungen bis hin zum 75-V-Bereich überleben muss, etwa in Automotive Anwendungen, wo beim plötzlichen Abtrennen der Batterie (Load Dump) extrem hohe Transienten auf dem 12-V-Bordnetz auftreten können.

Bild 6 zeigt Oszilloskop-Bilder vom Verhalten der SuperSwitcher II-Komponenten während einer Lasttransienten. Hyper Speed Control modifiziert die Off-Time mit ihrem adaptiven Regelverfahren. Schnelle Energieimpulse dienen dem schnellen Aufladen der Ausgangs-LC-Stufe während die Laständerung auftritt.

Regelschleifenstabilität

Bode-Diagramme der Regelschleifenstabilität zeigt Bild 7. Diese Messungen wurden auf einem MIC28510 Evaluation Board vorgenommen: Die Werte entsprechen der Schaltung in Bild 4: V_in = 12 V, V_out = 3,3 V, L = 4,7 H, C_out = 100 μF (keramisch), C_ff = 22 nF, R_inj = 2,26 kΩ, C_inj = 0,1 F, (R₁ + R₂) = 30 kΩ.