Die richtige Schottky-Diode finden Boost Converter für tragbare Elektronikgeräte auslegen

Auswahl für passende Dioden in mobilen Elektronikgeräten.

In tragbaren Elektronikgeräten mit Display wird ein Aufwärtswandler zur Spannungsversorgung der LED-Hinterleuchtung benötigt. Sein Wirkungsgrad hat spürbaren Einfluss auf die Batterielaufzeit des Geräts. Das sollte bei der Auswahl der passenden Schottky-Diode im Boost Converter beachtet werden.

In tragbaren Elektronikgeräten (beispielsweise Smartphones) erhöht sich unablässig der Funktionsumfang. Parallel dazu wird von den Systementwicklern erwartet, eine längere Batterielaufzeit zu ermöglichen, im Idealfall in Gerätemodellen, die sich durch immer elegantere Formen von Konkurrenzprodukten abheben. Dazu sind kleinere Bauelemente notwendig sowie Maßnahmen zur Reduzierung der Systemverlustleistung. Eine Hauptursache für das Entstehen von Leistungsverlusten ist der Einsatz von Hochsetzstellern (auch Aufwärtswandler oder engl. Boost Converter) zur Ansteuerung zum Beispiel der Hinterleuchtung des Smartphone-Display. Der prinzipielle Aufbau eines Aufwärtswandlers ist in Bild 1 gezeigt. Um die Verlustleistung im Aufwärtswandler möglichst klein zu halten, muss die Auswahl der verwendeten Schottky-Diode mit Sorgfalt erfolgen.

In heutigen tragbaren Elektronikgeräten mit LED-Display benötigen häufig die Aufwärtswandler, die für die LED-Hinterleuchtung verwendet werden, einen beträchtlichen Teil der Batterieleistung des Geräts. Daher müssen die Aufwärtswandler für einen möglichst effizienten Betrieb ausgelegt werden. Bei ihrer Implementierung ist die Schottky-Diode ein integraler Bestandteil. Sie korrekt zu spezifizieren ist relevant, um den hohen Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers nicht gleich wieder einzubüßen. Eine sorgfältige Auswahl der Schottky-Diode bedeutet für tragbare Elektronikgeräte eine längere Batterielaufzeit und eventuell auch die Möglichkeit, in der Systementwicklung einen erweiterten Funktionsumfang vorzusehen.

Für die Spezifizierung der Schottky-Diode ist es nötig, den Mechanismus des Aufwärtswandlers selbst gut zu verstehen. Im Allgemeinen verwenden Hinterleuchtungen weiße LEDs. Sie sind durch eine Vorwärtsspannung gekennzeichnet, die typischerweise zwischen 3,0 V und 3,6 V liegt. Üblicherweise arbeiten tragbare Elektronikgeräte mit Li-Ion-Einzellen-Batterien mit einer Betriebsspannung zwischen 2,5 V und 4,2 V. Wenn die Spannung einer Li-Batterie in Richtung 2,5 V absinkt, steht nicht mehr genügend Spannung zur direkten Ansteuerung der LEDs zur Verfügung. Wenn das der Fall ist, kommt der Aufwärtswandler ins Spiel. Die Spannung der Li-Batterie dient als die Eingangsspannung für den Boost Converter. Der Wert der Ausgangsspannung wird aus der Vorwärtsspannung der LEDs abgeleitet und aus der Konfiguration, in der die LEDs angeordnet worden sind. Manche Schaltungen verwenden eine einreihige Anordnung, während andere zwei Reihen (Strings) benötigen. Bei den üblichen LED-Vorwärtsspannungen von ungefähr 3,0 V bis 3,6 V wird eine Ausgangsspannung von 18 V bis 36 V benötigt.

Einschaltdauer

Das Tastverhältnis D (engl. Duty Cycle) eines Aufwärtswandlers lässt sich mit Hilfe der (idealisierten) Gleichung 1 bestimmen. Im Allgemeinen liegt das Tastverhältnis eines Aufwärtswandlers im Bereich von 80 bis 90 %. Das heißt, dass der MOSFET zu ungefähr 90 % des Zyklus eingeschaltet ist, um das Magnetfeld der Spule zu laden.

left parenthesis 1 right parenthesis space space space space D equals fraction numerator U subscript o u t end subscript space minus U subscript i n end subscript over denominator U subscript o u t end subscript end fraction

Uout = Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers.
Uin = Eingangsspannung des Aufwärtswandlers.

Während der MOSFET eingeschaltet ist, wird die Schottky-Diode in Sperrrichtung betrieben. Ist der MOSFET abgeschaltet, wird die Energie, die sich in der Spule aufgebaut hat, nachfolgend über die Schottky-Diode in den Ausgangskondensator entladen, die sie wiederum an die LEDs abgibt. Die vom Ausgangskondensator während dieser Zyklusphase empfangene Ladung reicht aus, um die LEDs so lange mit einem konstanten Strom zu versorgen, bis sich der MOSFET wieder einschaltet und der nächste Zyklus beginnt. Dem System kann ein Präzisionswiderstand hinzugefügt werden, der zum LED-Streifen in Reihe geschaltet wird. Die am Präzisionswiderstand abfallende Spannung kann als Signal an einen Controller geleitet werden.

Bilder: 8

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