Von der Komponente bis zur Integration

Grundlagen der Schaltreglertechnik

27. August 2018, 14:59 Uhr | Von John Woodward
Vorteile der Schaltregler in Basisschaltungen nicht-isolierter DC/DC-Wandler
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Schaltregler bieten diverse Vorteile gegenüber Linearreglern. Doch welche Basis-Schaltungen für nicht-isolierte DC/DC-Wandler-Topologien gibt es und wie lässt sich die Pulsweitenmodulation zur automatischen Regelung der Ausgangsspannung einsetzen?

Elektronische Geräte nutzen ICs, die mit unterschiedlichen DC-Spannungen versorgt werden müssen. Die Hauptenergieversorgung erfolgt über eine AC-Stromleitung, zum Beispiel über die Steckdose oder über eine DC-Spannungsquelle, zum Beispiel über Batterien oder Solarmodule. DC/DC-Wandler erzeugen daraus schließlich die passenden Spannungen zur Versorgung von ICs und anderen Bausteinen.

Für DC/DC-Abwärtswandler ohne Isolation besteht die Wahl zwischen Linearregler- und Schaltregler-Technologien. Ein Linearregler (Bild 1) fügt einfach einen elektronisch variierbaren Widerstand, einen Transistor, in Serie mit der Eingangs-DC-Spannung ein, sodass die Spannung auf den gewünschten Wert fällt. Wenn sich Eingangs- oder Laststrom ändern, wird der Widerstand über eine Feedback-Schleife verändert, um die Ausgangsspannung konstant zu halten.

Der große Nachteil ist der Leistungsverlust – am Widerstand liegt kontinuierlich die Differenz von Eingangs- und Ausgangsspannung an, während er den Laststrom führt. Bei kleinen Leistungen ist das nicht unbedingt ein Problem, aber bei einer 5-V-Last mit 10 A aus einer 10-V-DC-Quelle sieht das anders aus. Der Widerstand nimmt in diesem Fall 50 W Leistung auf, was einen Wandlungs-Wirkungsgrad von nur 50 % bedeutet.

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Abwärts-Schaltregler im Detail, Bilder 1-4

Schaltbild eines Linearreglers.
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 Vergleich von Kühlkörpern zur Wärmeabführung von 50 W (links) und 5,5 W (rechts) Leistungsverlust, wenn der Temperaturanstieg auf 10 °C begrenzt ist
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Schaltbild eines Abwärtswandlers
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Alle Bilder anzeigen (4)

Schaltregler können den Wandlungs-Wirkungsgrad enorm verbessern und dadurch Energieeinsparungen ermöglichen. Auch in diesem Fall kommen Transistoren zum Einsatz, aber statt sie als lineare variierbare Widerstände zu nutzen, werden sie im Schaltmodus als Schalter genutzt, die entweder ein- oder ausgeschaltet sind. Wenn ein Schalter eingeschaltet ist, fällt an ihm nur wenig Spannung ab.

Wenn er ausgeschaltet ist, fließt nur sehr wenig oder gar kein Strom. Daher ist die Verlustleistung sowohl im ein- als auch im ausgeschalteten Zustand niedrig. Mit diesem Ansatz ist ein Wirkungsgrad von über 90 % erreichbar. Mit 90 % Wirkungsgrad würde der Wandler in obigem Beispiel statt 50 W nur 5,5 W aufnehmen.

Bild 2 zeigt, welchen Unterschied das für den benötigten Kühlkörper bedeuten würde, wenn der Temperaturanstieg auf 10 °C beschränkt werden soll. Der Größen- und Gewichtsvorteil ist offensichtlich. In der Praxis sind die meisten modernen DC/DC-Wandler effizient genug, um Kühlkörper komplett überflüssig zu machen. Stattdessen reichen die Kupferflächen in der Leiterplatte für das Abführen der Wärme aus

Abwärts-Schaltregler im Detail

Bild 3 zeigt einen Abwärtswandler, der eine vorgegebene DC-Eingangsspannung in eine niedrigere DC-Ausgangsspannung wandelt. Wenn SW1 eingeschaltet ist, liegt die Spannung Uein – Uaus an der Induktivität an. Dabei wird die Energie im magnetischen Feld gespeichert und der Ausgang mit Energie versorgt. Wenn SW1 ausgeschaltet wird, kann sich der Strom durch L1 nicht sofort ändern. Es wird also weiterhin Energie an die Last RL und C1 entladen.

Als Ergebnis sinkt der Strom in L1, wodurch sich die Polarität der Spannung über L1 umdreht. Die Spannung am Schaltknoten ULX zwischen D1 und L1 fällt ab, bis sie negativ (unter Masse) wird. Dadurch wird D1 in Vorwärtsrichtung betrieben und der »Freilauf«-Pfad für den Strom in L1 aufgebaut, der weiterhin zum Ausgang fließt. Während der Regelung wird SW1 mit einer festen Frequenz fsw ein- und ausgeschaltet (Bild 4). Das Verhältnis der Einschaltzeit von SW1 zur gesamten Schaltzyklusperiode Ts wird Tastverhältnis D des Wandlers genannt und ist definiert als

left parenthesis 1 right parenthesis space space space space space D equals fraction numerator T subscript E I N end subscript over denominator T subscript E I N end subscript plus T subscript A U S end subscript end fraction space equals space T subscript E I N end subscript over T subscript S space space

Daher ist ULX eine Impulsfolge mit fester Frequenz und – in diesem Fall – mit festem Tastverhältnis. Die Spannung, die im Betrag zwischen Uein und -UD wechselt, wird an einen Tiefpass-LC-Filter angelegt, der aus L1 und C1 besteht. UD ist der Spannungsabfall an der Diode D1.

Die Bestandteile der ULX-Impulsfolge sind die Schaltfrequenz fsw und eine DC-Komponente, die dem Durchschnittswert der Impulsfolge über eine Schaltperiode Ts entspricht. Mit grundlegender Mathematik und der obigen Definition des Tastverhältnisses D kann der Durchschnittswert der in Bild 4 dargestellten ULX-Impulsfolge berechnet werden:

left parenthesis 2 right parenthesis space space space space space U subscript L X. a v g end subscript space equals left parenthesis U subscript e i n end subscript times D right parenthesis minus U subscript D times left parenthesis 1 minus D right parenthesis
space space space space space space space space space space space space space space equals D times left parenthesis U subscript e i n end subscript plus U subscript D right parenthesis minus U subscript D

Wenn die Grenzfrequenz des LC-Filters viel kleiner als fsw gewählt wird, wird Uaus eine DC-Spannung mit dem Wert ULX,avg und einer kleinen Welligkeitskomponente mit der Schaltfrequenz fsw. Also gilt:

left parenthesis 3 right parenthesis space space space space space U subscript a u s end subscript space equals D times left parenthesis U subscript e i n end subscript space plus space U subscript D right parenthesis minus U subscript D space

In modernen DC/DC-Wandler-Schaltungen wurde D1 durch einen MOSFET ersetzt, um den Spannungsabfall zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu verbessern, besonders wenn die benötigte Ausgangsspannung niedrig ist. In diesem Fall ist der Spannungsabfall UD vernachlässigbar und kann als Null angenommen werden. Dadurch ergibt sich die bekannte Abwärtswandlergleichung:

left parenthesis 4 right parenthesis space space space space space U subscript a u s equals end subscript U subscript e i n end subscript times D space space

 

Die Ausgangsspannung konstant halten

Um die Ausgangsspannung über einen vorgegebenen Eingangsspannungs- und Laststrombereich konstant zu halten, wird ein Konzept benötigt, das die Ausgangsspannung überwacht und die Einschaltzeiten steuert. Um ein variierendes Tastverhältnis von SW1, die sogenannte Pulsweitenmodulation (PWM), zu erreichen, wird zunächst ein Fehlerverstärker genutzt.

Dieser erzeugt ein DC-Signal, das proportional zur Differenz des Ausgangsspannungs-Feedbacks und einer festen Referenzspannung ist. Dieses Signal wird dann mit einer Sägezahnspannung mit der gewünschten Schaltfrequenz verglichen.

 Das Prinzip PWM mit Sägezahnspannung, Feedback-Spannung und entsprechendem Tastverhältnis
Bild 5. Das Prinzip PWM mit Sägezahnspannung, Feedback-Spannung und entsprechendem Tastverhältnis.
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Bild 5 zeigt einen Überblick, in dem die Komparator- und Ausgangsstufe in Reihe geschaltet zu einer positiven Spannung führen, wenn das Fehlersignal höher als der Sägezahn ist. Eine sehr niedrige Spannung ergibt sich, wenn das Fehlersignal kleiner als der Sägezahn ist. Während sich die Fehlerspannung Ucontrol entlang dem Sägezahn hoch- und hinunterbewegt, ändert sich die PWM- Ausgangspulsweite entsprechend von schmal zu breit oder von 0 zu 100 % Tastverhältnis.

Wenn die Ausgangsspannung niedrig ist, weil Uein abgenommen hat oder die Last zugenommen hat, wird das Fehlersignal größer und führt zu einem breiteren Puls. Dadurch wird mehr Energie durch SW1 hindurchgelassen und die Ausgangsspannung wieder auf ihren richtigen Wert erhöht. Wenn die Ausgangsspannung hoch ist, passiert das Gegenteil. Das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsspannung ist einfach der Wert des Tastverhältnisses, wie im vorigen Abschnitt erklärt wurde.


  1. Grundlagen der Schaltreglertechnik
  2. Höhere Spannungen mit dem Aufwärtswandler

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