Power-Management Wirkungsgrad und Leistungsdichte erhöhen

Der Abwärtsschaltregler HyperLight Load nutzt eine besondere Technik, um schnell auf Laständerungen zu reagieren. Wirkungsgrad und Leistungsdichte sind höher als bei traditionellen Reglern.

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ET System electronic GmbH

TRACO ELECTRONIC GMBH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Micrel Inc.

Einer der gängigen Abwärtsregler ist der LDO, der die Eingangsspannung auf eine niedrigere Ausgangsspannung herabsetzt. Für die Spannungsregelung sorgen ein interner Bipolartransistors (BJT, bipolar junction transistor), überwacht durch den Operationsverstärker EA (Error Amplifier) und die Rückkoppelwiderstände (Spannungsteiler) R1 und R2 (Bild 1). LDOs sind einfach, schnell, preiswert und haben wenig Ausgangsrauschen. Ein großer Nachteil ist aber deren schlechter Wirkungsgrad im Vergleich zum Schaltregler.

Die Verlustleistung am BJT eines typischen LDO entspricht seinem Spannungsabfall multipliziert mit dem Laststrom durch den BJT. Je höher der Strom bzw. die Spannung, desto größer auch die Verlustleistung. Der Wirkungsgrad eines LDO entspricht dem Wert der Division von Ausgangsspannung durch Eingangsspannung

eta = V_in/V_out.

Die Eingangsspannung V_IN und die Ausgangsspannung V_OUT sind also für den LDO essentiell. Falls die Applikation eine deutlich höhere Eingangsspannung im Vergleich zur Ausgangsspannung verlangt, erhöht das die Verlustleistung und führt deshalb zu verminderter Effizienz. Hohe Stromstärke und niedriger Wirkungsgrad verursachen Verlustwärme, sodass in der Regel auch ein Kühlkörper für den Bipolartransistor zum Einsatz kommen muss. Bei höheren Stromstärken kann es sogar zur Überhitzung des Transistors kommen. Somit ist in vielen Applikationen eine Erhöhung der Leistungsdichte nicht möglich.

Aus diesem Grund wurden Schaltregler entwickelt. Buck Converter oder Abwärtswandler (Tiefsetzsteller) können bis zu 90% Wirkungsgrad besitzen. Ein Abwärtsschaltregler ist komplizierter aufgebaut als ein LDO und nutzt Induktivitäten, Kondensatoren und Transistoren (Bild 2).

Buck-Regler mit hohem Wirkungsgrad

Wie der LDO übersetzt auch der Abwärtsschaltregler eine höhere Eingangsspannung in die niedrigere Ausgangsspannung. Dazu arbeiten zwei Leistungstransistoren (Q1 und Q2) synchron, um, mit definierter Frequenz, abwechselnd Energie an den Ausgang zu liefern. Bild 3 zeigt die Schaltphasen des Abwärtsreglers.

Wenn Transistor Q1 schaltet (ein), dann ist Transistor 2 offen (aus) und Energie wird vom Eingang zum Ausgang geliefert. Die Induktivität speichert diese Energie in ihrem Magnetfeld (Bild 3 oben). Geht nun Transistor Q1 auf off, dann schaltet Transistor Q2 auf on. Das unterbricht zwar den Stromfluss von Q1 (Eingang), doch fließt weiter Strom durch die Induktivität, weil der Spulenstrom sich nicht augenblicklich ändern kann. Die im Magnetfeld der Induktivität gespeicherte Energie wird in Strom zurückgewandelt, um nahtlos Energie an den Ausgang zu liefern (Bild 3 unten). Aufgrund der charakterischischen Eigenschaften von Induktivität und Schalttransistoren erzeugt der Buck Converter deutlich weniger Verlustleistung als ein LDO.

Den Wirkungsgrad zwischen einem typischen impulsbreitenmodulierten (PWM) Abwärtsregler mit konstanter Schaltfrequenz und einem LDO vergleicht Bild 4. Wie zu sehen, ist der Spitzenwert eines PWM-Abwärtsreglers zwar höher als der eines LDO, allerdings nicht über den gesamten Lastbereich. Aufgrund der Verluste, die nichtideale Schalter haben, ist die Effizienz eines typischen PWM-Buck-Reglers bei niedrigen Strömen schlecht. Unterhalb von 20 mA ist deshalb der Wirkungsgrad des LDO höher. Gerade bei portablen Applikationen ist hohe Effizienz bei geringen Lasten essentiell, weil diese Geräte im Stand-by auch möglichst geringe Verluste haben sollen. Der Forderung nach vorbehaltslos hoher Effizienz begegnet Micrel mit einem neu entwickelten Schaltschema, das die besten Eigenschaften von LDO und Buck Converter vereint.

Die Serie MIC23150, MIC23153 und MIC23155 sind hocheffiziente HyperLight-Load-Abwärtsregler (HLL) und die am weitest fortgeschrittenen Schaltregler für Leistungselektronik. Der Begriff Hyper charakterisiert ultraschnelles Einschwingverhalten unter Last. Light Load bezeichnet hohen Wirkungsgrad bei niedriger Last. Diese HLL-Abwärtsregler-Familie wurde entwickelt, um die genannten Forderungen zu erfüllen.

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