DC-DC-Wandler Auf Strom statt Spannung regeln

Applikationen wie LEDs und das Laden von Akkus oder Superkondensatoren benötigen eine Stromquelle. Solche Systeme für hohe Ströme in kompakter Bauweise am Markt zu finden, ist jedoch schwer. Warum also nicht eine Spannungsquelle in eine Stromquelle umfunktionieren?

Stromquellen in kompakter Bauweise für hohe Ströme sind am Markt schwer zu finden und oft genügen sie nicht allen Anforderungen. Bei LED-Anwendungen sind Funktionen wie stufenloses Dimmen von 0 Prozent bis 100 Prozent, flimmerfreies Licht und Dimmen über analoge oder PWM-Signale sowie Dimmen mit einem Digital-Analog-Wandler oft wünschenswert. Für Applikationen zum Laden von Akkus und Superkondensatoren ist es vorteilhaft, die Ladeschlussspannung und eine beliebige Kurvenform des Ladestroms einstellen zu können.

In diesem Artikel geht es darum, aus spannungsgeregelten DC-DC-Wandlern ganz einfach eine Stromquelle zu entwickeln. Dabei nutzen wir das Power-Modul MagI³C von Würth Elektronik eiSos. Die im Folgenden beschriebene Schaltung und die Messungen wurden mit einem Referenzdesign durchgeführt, auf dem ein MagI³C verbaut ist.

Einfache Stromregelung

Ein MagI³C besitzt eine interne Regelschleife, die die Spannung am Rückkoppel-Pin (Feedback, FB) auf den Wert der internen Referenzspannung regelt (Bild 1). Wird der Ausgang des Power-Moduls Vout direkt an den Feedback-Pin verbunden, so stellt sich diese Ausgangsspannung auf die gleiche Spannung wie die der internen Referenzspannung Vref ein.

Mit einem Spannungsteiler lässt sich eine höhere Ausgangsspannung einstellen (Bild 2). Hierbei stellt die Regelung die Ausgangsspannung wieder so ein, dass die Spannung am Rückkoppel-Pin der internen Referenz entspricht. Der Strom, der in diesen Pin hineinfließt ist sehr klein – typischerweise einige Nanoampere bis hin zu 100 nA. Dennoch ist es nicht sinnvoll den Spannungsteiler so hochohmig auszuführen, dass der Strom in den FB-Pin das Verhältnis des Spannungsteilers verändert. Üblicherweise sind Widerstände zwischen 1 kΩ und 10 kΩ bzw. auch bis 50 kΩ sinnvoll. Des Weiteren ergibt ein hoher Wert für R1 zusammen mit der Kapazität am FB-Eingang des internen Fehlerverstärkers eine Verzögerung in der Regelstrecke.

Mit dem externen Operationsverstärker OP1 anstelle eines Spannungsteilers lässt sich die Ausgangsspannung des Power-Moduls beliebig und bei Bedarf dynamisch einstellen (Bild 3). Auch Ausgangsspannungen unterhalb der internen Referenz sind dadurch möglich. Die interne Regelung des Power-Moduls bleibt weiterhin aktiv. Hier gibt es keine direkte Verbindung mehr zwischen der Ausgangsspannung und dem Feedback-Pin. Selbst bei 0 V Ausgangsspannung kann das Power-Modul den vollen Strom liefern. Der OP1 regelt die Spannung am FB-Pin auf den gleichen Wert wie die interne Referenz des Power-Moduls.

In Bild 4 erhält OP1 seinen Istwert als Spannung von einem Strommesswiderstand (Shunt Resistor). Dadurch stellt sich die Spannung am Feedback-Pin des Power-Moduls – und damit dessen Ausgangsspannung – so ein, dass der Istwert des Stromes mit dem Sollwert übereinstimmt.

Der Sollwert lässt sich dynamisch mit einem Potentiometer, einem Jumper, über Widerstandsteiler oder über einen Mikrocontroller verändern. Wird er beispielsweise verringert, so verbleibt in diesem Augenblick ein größerer Istwert. Der OP1 erhöht daher seine Ausgangsspannung und verringert damit das Tastverhältnis des Power-Moduls. Als Folge sinken Spannung und Strom am Ausgang. Sobald die Spannung am Strommesswiderstand dem neuen Sollwert entspricht, regelt OP1 wieder auf die interne Referenzspannung des Power-Moduls und der Ausgangsstrom bleibt auf seinem neuen, niedrigeren Wert.