Definition von Schottky-Dioden Die Basis muss die Verlustleistung sein!

Bei tragbaren Anwendungen muss die Leistungsaufnahme optimiert werden.
Bei tragbaren Anwendungen muss die Leistungsaufnahme optimiert werden.

Weil tragbare Anwendungen immer ausgereifter werden und Endverbraucher längere Batterielebensdauern fordern, müssen Hersteller die Leistungsaufnahme optimieren, wo immer es geht. Die Auswahl der Bauteile kann hierfür entscheidend sein.

Ein Anwendungsbereich mit hohem Leistungsbedarf sind LED-Hintergrundbeleuchtungen von LCDs. Zur Ansteuerung dieser LEDs wird eine Aufwärtswandler-Schaltung implementiert. Damit wird die Batteriespannung auf einen Pegel erhöht, der groß genug ist, um die Vorwärtsspannung der LEDs zu überwinden. Die Auswahl der richtigen Schottky-Diode für eine solche Aufwärtswandler-Schaltung kann zur Reduzierung der Gesamtverlustleistung des Systems beitragen. Die Definition von Schottky-Dioden auf Basis der Gesamtverlustleistung anstelle auf Basis individueller Baustein-Parameter ist hierfür die bessere Lösung.

Die Hauptparameter, aufgrund derer neue Schottky-Dioden bislang definiert wurden, waren die Durchlassspannung und der Rest-Sperrstrom. Dabei leisteten zwei Werte einen wesentlichen Beitrag zu diesen Spezifikationen, nämlich das Schottky-Barrier-Metall sowie die Schottky-Kontaktfläche. Da beide Parameter von denselben Variablen abhängig sind, können sie gegeneinander abgeglichen werden. Wird die Durchlassspannung reduziert, erhöht sich der Rest-Sperrstrom und umgekehrt. Die Entwicklung ging in Richtung immer noch niedrigerer Vorwärtsspannungen und die Rest-Sperrströme stiegen unaufhörlich an. Mittlerweile ist ein Punkt erreicht, an dem zusätzliche Verringerungen der Durchlassspannung zu höheren Zunahmen bei den Rest-Sperrströmen führen, woraus sich wiederum höhere Gesamtverlustleistungen ergeben.

Beiträge zur Verlustleistung

Es herrscht immer noch die Meinung vor, dass die Durchlassspannung den Hauptbeitrag zur Verlustleistung leistet und dass der Rest-Sperrstrom von geringerer Bedeutung ist; das stimmt so nicht mehr unbedingt. Ist zum Beispiel die Ausgangsspannung der Aufwärtswandler viel größer als die Eingangsspannung, wird die resultierende Einschaltdauer sehr groß sein. Je länger die Einschaltdauer der Aufwärtswandler ist, desto länger ist die Schottky-Diode in Sperrrichtung vorgespannt.

Über die längere Einschaltdauer hinaus könnte sich der Ausgangsstrom des Aufwärtswandlers im Bereich von 10 bis 40 mA bewegen. Das gilt im Allgemeinen für den in den LED-Hintergrundbeleuchtungen eines drahtlos betriebenen Geräts verwendeten Aufwärtswandler. Die Tabelle vergleicht eine Boost-optimierte Schottky-Diode von ON Semiconductor (Baustein 1) mit einer Schottky-Diode mit niedriger Durchlassspannung (Baustein 2). Obgleich die Durchlassspannung von Diode 2 um 24 % geringer ist, ist die Verlustleistung um 39 % höher. Die darin aufgelistete Verlustleistung der Schottky-Diode PD wird durch die folgenden Gleichungen berechnet:

left parenthesis 1 right parenthesis space space space space D thin space equals thin space left parenthesis V subscript o u t end subscript space plus space V subscript F space minus space U subscript i n end subscript right parenthesis divided by left parenthesis U subscript o u t end subscript space plus space U subscript F right parenthesis thin space

left parenthesis 2 right parenthesis thin space space space space P subscript D thin space equals thin space D space times space U subscript o u t end subscript space times space I subscript R space plus space left parenthesis 1 space minus space D right parenthesis space times space U subscript F space times space I subscript F

Dabei gilt: D – Einschaltdauer des Aufwärtswandlers, Uout = Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers, Uin = Eingangsspannung des Aufwärtswandlers, IF = durchschnittlicher Durchlassstrom durch die Schottky-Diode, UF = Durchlassspannung der Schottky-Diode bei IF, IR = Rest-Sperrstrom der Schottky-Diode bei Uout.

Der erste Schritt bei der Berechnung der Verlustleistung ist also die Berechnung der Einschaltdauer. Dazu werden die Werte aus der Tabelle verwendet. In Drahtlos-Geräten kann die Eingangs-/Batterie-Spannung bei nur 2,5 V liegen. Die Ausgangsspannung hängt von der Konfiguration der LEDs ab. Eine übliche Konfiguration ist ein Strang aus zehn LEDs. Bei weißen LEDs liegt die Durchlassspannung bei ungefähr 3,3 V. Bei dieser Konfiguration beträgt die Ausgangsspannung 33 V. Die Durchlassspannung von Baustein 2 beträgt 0,2 V bei 10 mA. Setzt man die Werte in Gleichung (1) ein, ergibt sich die Einschaltdauer zu 92,5 %. Das bedeutet, dass die Schottky-Diode zu 92,5 % der Zeit in Sperrrichtung vorgespannt ist und der Durchlass nur zu 7,5 % der Zeit erfolgt.

Als Nächstes wird die Leistung berechnet. Wenn der Baustein in Sperrrichtung vorgespannt ist, liegt die Spannung bei 33 V und der Leckstrom im Bereich von 100 µA. Die resultierende Leistung – wenn der Baustein in Sperrrichtung vorgespannt ist – beträgt 3,3 mW. Wenn der Baustein in Durchlassrichtung vorgespannt ist, dann liegt die Spannung bei 200 mV und der Strom bei 10 mA. Daraus ergibt sich eine in Durchlassrichtung vorgespannte Leistung von 2 mW. Kombiniert man diese Werte mit dem Prozentsatz der jeweiligen Vorspannung, dann ist zu erkennen, dass die Vorspannung in Sperrrichtung 3,05 W beiträgt und in Durchlassrichtung 0,15 mW. Dieses Beispiel zeigt, dass der Großteil der Leistung tatsächlich durch den Leckstrom erzeugt wird.
Das eben aufgeführte Beispiel geht von einem Durchlassstrom von 10 mA aus. Man darf dabei nicht vergessen, dass mit steigendem Durchlassstrom in Durchlassrichtung die Verlustleistung ansteigt. Der Leistungsbedarf in Sperrrichtung bleibt hingegen gleich. Daraus lässt sich schließen, dass Systementwickler den Leckstrom von Schottky-Dioden in Aufwärtswandlern mit niedrigem Ausgangsstrom stärker berücksichtigen müssen als in Hochstrom-Aufwärtswandlern, um die Gesamtverlustleistung zu minimieren.