DC/DC-Wandler Schaltreglerdesigns optimieren

Mit Energie sparsam umzugehen ist wichtig. Daher wachsen die Bestrebungen, mit Schaltregler-ICs Energie einzusparen, ohne dabei Zugeständnisse in puncto Zuverlässigkeit, Platzbedarf, und übersichtliches Design zu machen. Wie aber lassen sich die Designs von Schaltreglern optimieren?

von Raimund Wagner, Manager Product Marketing bei Rohm Semiconductor.

Auf einer Platine DC/DC-Wandler mit Schaltregler-IC zu implementieren ist keine Seltenheit mehr. Ein solcher Schaltregler ist letztlich jedoch eine analoge Rückkopplungsschaltung, die Schaltoperationen in Hochgeschwindigkeit durchführt. Daher gibt es wichtige Punkte, die Anwender in Betracht ziehen müssen, um die Eigenschaften von Schaltreglern optimal auf einen effizienten Betrieb auszurichten.

Ein signifikantes Unterscheidungsmerkmale von DC/DC-Wandlern ist die asynchrone oder synchrone Gleichrichtung (Bild 1a und 1b). Die asynchrone Gleichrichtung nutzt die Diode D1 im Freilaufpfad, wenn der MOSFET S1 geöffnet ist, die synchrone ersetzt die Diode durch einen zweiten MOSFET S2. Die asynchrone Lösung ist einfach und robust und aufgrund ihrer Zuverlässigkeit in industriellen Anlagen und Anwendungen weit verbreitet. Bei der Synchrongleichrichtung kontrolliert eine Steuerschaltung die Ein- und Ausschaltvorgänge beider Schalter. Dabei ist jedoch auf eine sichere Ansteuerung zu achten denn wenn z. B. beide Schalter gleichzeitig einschalten, fließt Strom direkt von der Eingangsspannung (Vin) zur Masse (GND) und zerstört möglicherweise die Transistoren. Um dies zu verhindern, muss eine »Totzeit« gewährleisten, dass für eine möglichst kurze Zeit beide Schalter ausgeschaltet bleiben. Dies erhöht jedoch die Komplexität der Steuerung.

Die Synchrongleichrichtung ist üblicherweise effizienter, weil ein MOSFET weniger Durchlassverluste hat als eine Diode. Obwohl sich die Durchlassspannung der Diode abhängig vom Strom ändert, beträgt sie selbst bei modernen Schottky-Dioden noch 0,3 V bis 0,5 V. Dagegen ist beispielsweise der Durchlasswiderstand eines externen n-Kanal-MOSFET außerordentlich gering (z. B. 50 mΩ). Der resultierende Spannungsabfall am MOSFET ist daher deutlich geringer als die Durchlassspannung von Dioden.