Gleichspannungswandler Der Trick mit dem Referenzspannungseingang

Die meisten Spannungsregler beschränken sich auf eine einstellbare Ausgangsspannung und einen vorgegebenen maximalen Ausgangsstrom. Um die Strombegrenzung einzustellen, bedarf es einer zusätzlichen Schaltung. Eine solche Schaltung, bei der nur geringfügig in den Leistungspfad eingegriffen werden muss, beschreibt dieser Artikel. Hierbei wird eine der Stromstärke entsprechende Steuerspannung auf den Referenzspannungseingang des Reglers geführt.

Die Ausgangsspannung eines Spannungsreglers wird normalerweise mit einem Spannungsteiler festgelegt, der einen Teil der Ist-Spannung am Ausgang auf einen Mess-Eingang zurückführt (Bild 1). Im Regler-IC erfolgt ein Vergleich mit der Referenzspannung (Sollwert). Um die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen zu minimieren, stellt der Regler die Ausgangsspannung auf die gewünschte, vom Spannungsteiler vorgegebene Spannung ein. Dabei gilt:

                                                   UA / URef = (R1 / R2) + 1

Die Ausgangsspannung verhält sich allerdings nicht proportional zur Widerstandsänderung des Spannungsteilers. Hinzu kommt, dass es oftmals für höhere Spannungen keine geeigneten Halbleiter gibt, die eine Steuerung der Ausgangsspannung ermöglichen – z.B. digitale Potentiometer –, da die notwendige Spannungsfestigkeit nicht gewährleistet ist und die Widerstand/ Ausgangsspannung-Kennlinie keinen linearen Verlauf hat.

Eine elegante Möglichkeit, die Ausgangsspannung linear einzustellen und dies mit einer relativ niedrigen »Steuerspannung« zu tun, bietet sich über die Referenzspannung des Regelkreises. Maxim beispielsweise führt bei seinem Schaltregler-IC MAX15020 [1] den Referenzspannungseingang an einem Anschluss heraus (siehe Bild 1).

Die Ausgangsspannung verhält sich proportional zur Spannung an diesem »REF-IN«-Anschluss. Maximal ist an diesem Eingang eine Spannung von 3,6 V zulässig. Die maximale Ausgangsspannung wird durch den Spannungsteiler R1/R2 im Rückkoppelungszweig unter Berücksichtigung der maximalen Referenzspannung fest eingestellt. Mit Verändern der Referenzspannung wird die Ausgangsspannung in einem linearen Verhältnis nachgeführt (Bild 2).

Hierzu das folgende Beispiel:

URef max = 3 V; UA max = 18 V

Unter Verwendung der obigen Gleichung berechnen sich die Widerstände für den Spannungsteiler im Rückkopplungs- zweig zu:

R1 = 15 kΩ; R2 = 3 kΩ

Es bleibt dem Anwendungsfall überlassen, wie die Referenzspannung generiert wird. Im einfachsten Fall genügt ein Potentiometer. Komfortabler wird die Sache mit einem Digital/ Analog-Umsetzer (DAU) – z.B. MAX518, MAX517 [2] –, der über den I2C-Bus programmiert werden kann. Die Genauigkeit der Ausgangs- spannung hängt von der Referenzspannung, der Auflösung des DAU und der Präzision des Spannungsteilers im Rückkopplungszweig ab.

Einstellbare Strombegrenzung

Die meisten integrierten Spannungsregler benötigen einen Messwiderstand zur Ermittlung der Ausgangsstromstärke und ermöglichen nur durch Veränderung dieses Widerstandswertes eine Einstellung der Strombegrenzung. Das führt – je nach Empfindlichkeit des integrierten Messverstärkers – zu Messwiderständen im Leistungsbereich einiger Watt und lässt sich praktisch nur durch Austauschen des Widerstandes oder per Leistungs-Potentiometer einstellen. Durch einen Strom-Messverstärker wie z.B. den MAX4080 [3] lässt sich die beim Schaltregler MAX15020 intern auf eine Schwelle von 2 A fixierte Strombegrenzung leicht zu einer einstellbaren Strombegrenzung erweitern. Hierfür muss die Schaltung noch um einen Komparator mit unbeschalteten Kollektor-Ausgängen – z.B. den MAX966 [4] – ergänzt werden.

Der Strom-Messverstärker MAX4080 ist ebenso wie der MAX15020 für größere Eingangsspannungen konzipiert. Über einen Messwiderstand im Milliohm-Bereich wird die Stromstärke im positiven Spannungspfad gemessen und als eine der Stromstärke proportionale Spannung abgebildet. Mithilfe eines Komparators kann nun ein vorgegebener Spannungswert (Sollwert) – z.B. per Potentiometer oder DAU erzeugt – mit dem stromproportionalen Spannungssignal (Istwert) verglichen werden. Übersteigt die stromproportionale Spannung am Ausgang des Strom-Messverstärkers den vorgegebenen Wert für die maximale Stromstärke, zieht der Komparator mit seinem Open-Collector-Aus-gang die Spannung am Referenzspannungseingang des Schaltreglers MAX15020 nach Masse und reduziert somit die Ausgangsspannung. Die Stromstärke wird damit auf den voreingestellten Maximalwert begrenzt.