Treiber-IC unterstützt breiten DC-Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich

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Theoretische Betrachtung des Treiber-Betriebes

Für ein besseres Verständnis ist in Bild 2 die vereinfachte Leistungsstufe dargestellt. Um die Verluste im Schaltkreis zu minimieren, ist ein geringer Oberwellenstrom erforderlich. Der Wandler wird daher im nicht-lückenden Modus (CCM – Continuous Current Mode) betrieben. Bei dieser Analyse werden alle Leistungsbauteile als ideal angenommen. Die Schalter Q1, Q2 schalten für die Dauer D·TS ein (D = Tastgrad, TS = Schaltperiode), um die Induktivität L1 über die Eingangsspannung Vin zu laden. Schalten Q1 und Q2 ab, liefern die Dioden D1 und D2 die Energie der Induktivität an den Ausgang Vout. Um den Induktionsfluss (V·μs) bei jedem Schaltzyklus konstant zu halten, muss der Term V·μs über der Induktivität bei jedem Schaltintervall gleich bleiben (Gleichung 1):

Vin·D·TS = Vout·(1-D)·TS (Gleichung 1)

Durch Umformen von Gleichung 1 ergibt die Spannungsverstärkung im Buck-Boost-Betrieb:

Vout = Vin·(D/(1-D)) (Gleichung 2)

Eine Veränderung des Tastgrads verändert auch den Ausgang: Fällt D unter 0,5 befindet sich der Wandler im Buck-Modus, steigt D über 0,5 befindet sich der Wandler im Boost-Modus. Beträgt der Wert für D genau 0,5 ist die Spannungsverstärkung Vout/Vin ausgeglichen.

Der Oberwellenstrom der Induktivität wird laut Gleichung 3 berechnet:

ΔIL1 = (Vin·D·TS)/L1 (Gleichung 3)

Unter der Annahme Vin = 12 V und D·TS = 0,5·5 μs ergibt sich laut Gleichung 3 für L1 ein Wert von 68 μH, wenn in einer 700-mA-Applikation im CCM-Betrieb der Oberwellenstrom konstant ±30% beträgt. MOSFETs oder bipolare Transistoren (BJTs) sind die Primärschalter Q1/Q2. Der NSS40500UW3T2G und NSS40501UW3T2G aus ON Semiconductors e2PowerEdge-BJT-Familie wurden aus Kosten-/Performance-Gründen ausgewählt. Sie bieten eine niedrige Sättigungsspannung und eine hohe Stromverstärkung (Bild 3).

Anpassen der Widerstände

Das Ein-/Ausschalten, die Sättigungsspannung und Speicherzeit eines BJT werden über die Höhe des Einschaltbasisstroms IB1 und Ausschaltbasisstroms IB2 geregelt. Die Steuerströme sind in Bild 2 dargestellt. Die Werte der Steuerwiderstände R2, R3 und R4 lassen sich für eine bessere Performance anpassen. Der Wirkungsgrad des Wandlers lässt sich erhöhen, wenn die Speicherzeit von Q2 kleiner ist als die von Q1. Der Grund dafür wird später erläutert.

Die Speicherzeit von Q2 lässt sich verringern, wenn der Schalter außerhalb des Sättigungsbereichs betrieben wird – mithilfe einer zusätzlichen Diode D3a/b (Bild 1). Befindet sich Q2 nahe der Sättigung, fließt zusätzlicher Strom durch die Diode D3a in die Kollektorzone. Diese Umleitung des Basisstroms IB1 verringert die gespeicherte Ladung in der Basisregion und erlaubt ein schnelleres Abschalten. Der sonst gängige TS-Wert von 1,5 μs wird damit auf wenige 100 ns verringert.

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