Duales DC/DC-Wandler-IC Zwei Ausgangsspannungen mit einer gemeinsamen Speicherdrossel

Mit dem STw4141 steht erstmals ein Schaltregler-Baustein zur Verfügung, der mit nur einer Induktivität zwei unabhängige Versorgungsspannungen erzeugen kann. Das neuartige, patentierte Funktionsprinzip des STw4141 macht es möglich, die Vorteile von Linear- und Schaltreglern – geringer Platzbedarf und hoher Wirkungsgrad – miteinander zu kombinieren.

Traditionelle Linearregler (LDOs, Low-Dropout-Spannungsregler) werden in modernen Anwendungen zunehmend von Schaltreglern verdrängt. Obwohl der LDO eine sehr betriebssichere und kosteneffektive Spannungsregelschaltung darstellt, hat er einen gravierenden Nachteil: eine hohe Verlustleistung. Grund genug für die Hersteller von Mobiltelefonen, PDAs (Personal Data Assistant), Digitalkameras usw., nach effizienteren Alternativen zu suchen. Dabei sehen sie sich allerdings häufig mit dem Problem konfrontiert, dass geschaltete Stromversorgungen erheblich mehr Platz brauchen.

Der Schaltregler-Baustein STw4141 erzeugt zwei unabhängige Ausgangsspannungen mit nur einer externen Induktivität. Er kommt dank des geschalteten Betriebs auf einen hohen Wirkungsgrad, obwohl nur ein Minimum an externen Bauelementen benötigt wird. Vom Wirkungsgrad her entspricht der STw4141 zwei separaten Schaltreglern und zwei separaten LDOs (siehe Tabelle). Er kann somit heutige Linearregler in tragbaren Applikationen ersetzen oder den Platzbedarf und die Kosten von Stromversorgungen mit mehreren Schaltreglern verringern.

Konfiguration
Wirkungsgrad
Platzbedarf
 Materialaufwand
2 LDOs-++
2 Schaltregler+--
STw4141+++
Das duale Schaltregler-IC STw4141 enthält zwei unabhängige DC/DC-Wandler, die sich jedoch mit einer gemeinsamen Drosselspule begnügen. Der Platzbedarf auf der Leiterplatte sinkt auf die von LDOs üblicherweise beanspruchte Fläche – bei einem deutlich

Funktionsprinzip

Zunächst ein Blick auf die Funktionsweise des klassichen Abwärtswandlers (Buck-Schaltregler), von dem die neue Topologie mit zwei unabhängigen Ausgangsspannungen abgeleitet ist. Bild 1 zeigt die Blockschaltung. Neben der aus großen PMOS- (T1) und NMOS-FETs (T2) bestehenden Leistungsstufe sind die Induktivität L, der Ausgangskondensator C und eine Rückkoppelschleife vorhanden.

Der PMOS- und der NMOS-Transistor werden gegenphasig mit der Frequenz 1/T und dem Tastverhältnis TV1 angesteuert. Nach dem Einschalten des PMOS-Transistors T1 steigt der Strom in der Induktivität mit folgender Rate an (Bild 2):

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Mit dem Einschalten des NMOS-Transistors T2 nimmt der Strom in der Induktivität mit folgender Rate ab:

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Im statischen Zustand müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein:

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Die erste Bedingung (Gl. 3) bedeutet, dass der Strom in der Induktivität (IL) zu Beginn eines jeden Taktzyklus gleich dem Strom am Ende des Taktzyklus sein muss, da sich das System sonst nicht im Gleichgewicht befindet. Hieraus lässt sich die bekannte Formel für das Tastverhältnis eines Abwärtswandlers ableiten:

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Die zweite Bedingung (Gl. 4) besagt, dass die von der Induktivität insgesamt gelieferte Ladung gleich der vom Verbraucher aufgenommenen Ladung sein muss – wenn man sämtliche Schalt- und RDS(on)-Verluste außer Acht lässt.

Nun zur neuen Dual-Ausgangs-Technologie. Im STw4141 wird die von der Induktivität bereitgestellte Ladung auf zwei Ausgänge verteilt, wobei die Lastströme beider Ausgänge völlig unkorreliert sein können, wie es in der Praxis meist der Fall sein wird. Die in Gl. 4 formulierte Bedingung für den statischen Zustand muss deshalb wie folgt umgeschrieben werden:

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Darin stehen IA1 für den Strom an Ausgang 1 und IA2 für den Strom an Ausgang 2. Zum Aufteilen der Ladung gemäß Gl. 6 werden die beiden zusätzlichen Schalter T3 und T4 benötigt (Bild 3).

Ist T3 eingeschaltet, gelangt die in der Induktivität gespeicherte Ladung an Ausgang 1, während sie bei eingeschaltetem T4 an Ausgang 2 geführt wird. T3 und T4 werden ähnlich wie die Schalt-Transistoren T1 und T2 gegenphasig mit der Frequenz 1/T geschaltet, allerdings mit einem anderen Tastverhältnis (TV2).

Während das Tastverhältnis TV1 ein Maß für die insgesamt vom System bereitgestellte Energie ist, liefert das Tastverhältnis TV2 eine Aussage darüber, wie sich die Energie auf die beiden Ausgänge verteilt. Entscheidend an diesem Konzept ist, dass nur eine einzige Induktivität benötigt wird.

Bild 4 zeigt den Strom in der Induktivität bei der Topologie mit zwei Ausgängen. Anders als in einem traditionellen Abwärts-Schaltregler lassen sich hier drei Phasen unterscheiden:

1. Stromanstieg mit der Rate (UE – UA2)/L

2. Stromabfall mit der Rate –UA2/L

3. Stromabfall mit der Rate –UA1/L.

TV2 ist in diesem Fall größer als TV1, doch wäre der umgekehrte Fall ebenso zulässig, nur würde sich der Stromverlauf in der Induktivität entsprechend ändern.

Es kommt bei TV1 ~ TV2 zu keinen Artefakten, da beide Regelsignale in der Regelschleife unabhängig voneinander verarbeitet werden.