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Mit Multi-Level-Wandlern schneller und effizienter laden

15. September 2021, 10:30 Uhr   |  Jeff Falin und Alvaro Aguilar, Texas Instruments

Mit Multi-Level-Wandlern schneller und effizienter laden
© iEsrcharger / Pixabay

Jedes portable Gerät benötigt eine Ladeschaltung. Diese muss zum einen schnell laden können, zum anderen aber auch wenig Verlustwärme erzeugen. Ein 3-Level-Abwärtswandler ist da eine Alternative zum traditionellen 2-Level-Abwärtswandler.

Beim Design portabler elektronischer Produkte müssen die Entwickler auch eine platzsparende und hocheffiziente Ladeschaltung implementieren, die dank hoher Leistung die Ladezeiten minimiert und gleichzeitig nur wenig Wärme entwickelt. Hierfür bietet sich eine 3-Level-Wandlerlösung an, die mithilfe zusätzlicher kapazitiver Speicherelemente und Leistungsschalter eine höhere effektive Schaltfrequenz unterstützt und eine niedrigere Spannung an der Induktivität erzeugt, die somit kleiner ausfallen kann. Gegenüber traditionellen synchronen Abwärtswandlern verbessert dies den Systemwirkungsgrad, verbunden mit geringeren Verlusten, weniger Wärmeentwicklung und einem reduzierten Platzbedarf.

Die traditionelle Topologie

Traditionelle Abwärts- oder auch Buck-Wandler bestehen aus zwei MOSFETs, einer Induktivität, einem parallel zur Eingangsquelle liegenden Kondensator und einem Ausgangskondensator (Bild 1).

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Bild 1: Prinzipschaltbild der traditionellen 2-Level-Topologie für einen Abwärtswandler.

Die komplementären Gate-Ansteuersignale haben ein Tastverhältnis von D bzw. 1 – D. Der Knoten zwischen den beiden Schaltern (VSW) wechselt zwischen VIN und Masse – daher die Bezeichnung 2-Level-Wandler. Ist Q1 ein- und Q2 ausgeschaltet, lädt sich die Induktivität auf, wobei ein Strom zum Ausgang fließt. Ist umgekehrt Q1 aus- und Q2 eingeschaltet, entlädt sich die Induktivität, wobei weiterhin ein Strom Richtung Ausgang fließt. Das Resultat ist eine Rechteckwelle mit konstantem Tastverhältnis, die – gefiltert durch die Induktivität und den Ausgangskondensator – eine Ausgangsspannung VOUT erzeugt.

Geht man von idealen MOSFETs und einem nichtlückenden, d. h. niemals auf null absinkenden Spulenstrom aus, so beträgt das Tastverhältnis D im statischen Fall VOUT/VIN. Welche Induktivität die Spule haben muss, richtet sich nach der Schaltfrequenz. Die Halbleiterprozesse und die Spulentechnologie begrenzen diese auf maximal 1 MHz bis 2 MHz, denn oberhalb davon dominieren die Schaltverluste in den Transistoren und die Wechselstromverlust zweiter Ordnung in der Spule die Gesamtverluste des Wandlers. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Wärmeentwicklung zu reduzieren, überdimensioniert man meist die Induktivität ein bisschen, um ihren Gleichstromwiderstand zu senken.

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Bild 2: Prinzipschaltbild und Gate-Ansteuerung in einem 3-Level-Wandler.

Funktionsprinzip eines 3-Level-Wandlers

Im Schaltbild des 3-Level-Wandlers (Bild 2) erkennt man den zusätzlichen »fliegenden« Kondensator (CFLY) und die beiden weiteren MOSFETs Q3 und Q4. Während Q1 und Q2 wie bei der herkömmlichen Topologie mit einem komplementären Signal angesteuert werden, erfolgt die Ansteuerung der beiden inneren Schalter Q3 und Q4 mit einem zweiten komplementären Signal, dessen Phasenlage gegenüber dem Signal für die äußeren MOSFETs um 180° versetzt ist. Indem man CFLY auf VIN/2 hält, wechselt der Schaltknoten VSW zwischen den drei Spannungsstufen VIN, VIN/2 und Masse – daher die Bezeichnung 3-Level-Wandler.

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Bild 4: Funktionsweise eines 3-Level-Wandlers bei einem Tastverhältnis D größer 0,5.

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Bild 3: Funktionsweise eines 3-Level-Wandlers bei einem Tastverhältnis D kleiner 0,5.

Bild 3 veranschaulicht auch, wie ein kompletter Schaltzyklus bei einem Tastverhältnis von unter 0,5 abläuft, wenn die Eingangsspannung also mehr als das Doppelte der Ausgangsspannung beträgt. Bild 4 dagegen gibt den vollständigen Schaltzyklus wieder, wenn das Tastverhältnis größer als 0,5 ist. Beträgt das Tastverhältnis genau 0,5 (50 %), so sind Q1 und Q4 in der einen Hälfte der Periode eingeschaltet, Q3 und Q2 dagegen in der anderen Hälfte. VSW bleibt deshalb auf einer Spannung von VIN/2, die per Definition gleich VOUT ist. Da an der Induktivität somit keine Spannung liegt, ist der AC-Anteil des Stroms gleich null. Wegen der um 180° phasenversetzten Ansteuerung der MOSFETs ist die Schaltfrequenz fSW_3L am Knoten VSW doppelt so hoch wie bei einem vergleichbaren 2-Level-Wandler (fSW_2L). Da aber jeder MOSFET während der 2-Level-Periode nur einmal einschaltet, ist TSW_2L doppelt so lang wie TSW_3L.

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1. Mit Multi-Level-Wandlern schneller und effizienter laden
2. Chipinterne sowie externe Verluste
3. Vergleich der Ladelösungen

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