Abwärtswandler Hohe Schaltfrequenzen wirken sich negativ aus

Höhere Schaltfrequenzen führen normalerweise zu niedrigeren Wirkungsgraden. Doch gerade das ist bei mobilen Geräten unerwünscht, da dadurch die Akkulauf- und -standzeit sinkt. Dieser Artikel behandelt einen Abwärtswandler mit einer nichtlinearen Induktivität. Ziel ist es, einen höheren Wirkungsgrad bei niedrigen Lasten zu erzielen, ohne jedoch das Lastsprungverhalten zu beeinträchtigen.

Mobiltelefone und andere tragbare elektronische Geräte werden heute immer komplexer, und damit verbrauchen sie auch immer mehr Energie - sowohl im aktiven Betrieb als auch im Standby-Modus. Entwickler stehen infolgedessen vor zahlreichen Herausforderungen bei der Auslegung der Kernspannung, der I/O-Spannungen, des Power-Managements und der Akkulaufzeit. Moderne synchrone Abwärtswandler für tragbare Anwendungen lassen sich in einen so genannten Energiesparmodus versetzen, um über den gesamten Lastbereich hinweg einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

Bei geringen Lasten arbeitet der Wandler im PFM-Betrieb (Pulsfrequenzmodulation), bei mittleren bis hohen Lasten geht er automatisch in die Pulsbreitenmodulation (Pulse Width Modulation, PWM) über. Während des PFM-Betriebs befindet sich der DC/DC-Wandler in einer Art Ruhezustand. Dabei sind nur die interne Spannungsreferenz und ein Komparator mit extrem niedrigem Ruhestrom aktiv, um die Ausgangsspannung zu überwachen; die Regelung ist also nichtlinear.

Die meisten anderen Funktionen des Wandlers sind abgeschaltet, wodurch die Ruhestromaufnahme drastisch sinkt und typisch in der Größenordnung von 15 µA bis 30 µA liegt. Sobald die Ausgangsspannung unter einen bestimmten Schwellwert sinkt, wird die Stromversorgung wieder aktiviert und regelt die Ausgangsspannung so lange nach, bis sie innerhalb ihrer Regelungsgrenzen liegt. Danach geht der Wandler wieder in den Ruhezustand.

Durch den PFM-Betrieb soll in erster Linie der Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers bei geringer Last erhöht werden. Die Betriebsart beeinflusst jedoch auch zwei weitere wichtige Parameter der Stromversorgung, nämlich die Welligkeit der Ausgangsspannung sowie die Schalt- beziehungsweise Burst-Frequenz. In Mobiltelefon beispielsweise lauten die typischen Anforderungen:

  • Ausgangsspannungswelligkeit unter 20 mV (Spitze-Spitze),
  • PFM-Schaltfrequenz über 500 kHz bei einem Laststrom von einigen Milliampere und
  • Umschaltung von PFM- auf PWM-Betrieb bei einem Laststrom von etwa 100 mA bis 150 mA.

Die Überlegung hinter einem nichtlinearen Verhalten der Induktivität ist, dass sich dadurch der Wirkungsgrad im unteren Lastbereich weiter erhöht, wobei auch die anderen Schlüsselanforderungen (z.B. Ausgangsspannungswelligkeit, Transientenverhalten und Wirkungsgrad unter hoher Last) erfüllt werden.

So arbeitet die PFM

Die 6-MHz-Abwärtswandler der Familie »TPS626xx« von Texas Instruments (Bild 1) verfügen über eine einzelne Schwellenspannung (threshold voltage) sowie einen PFM-Modus, basierend auf einer variablen Einschaltzeit. Anders als bei vielen anderen PFM-Regelungsverfahren steuern diese Bausteine über die Einschaltzeit den Spitzenstrom in der Spule - im Gegensatz zur Regelung mit einem festen Spitzenstrom. Im vorliegenden Fall hängt der Spitzenstrom in der Speicherdrossel von deren tatsächlichem Induktivitätswert ab.

Somit kann der Entwickler die ausgangsseitige Spannungswelligkeit (Ripple) und die PFM-Frequenz sowohl durch die Induktivität als auch die Ausgangskapazität beeinflussen. Im PFM-Betrieb arbeitet der Baustein typisch in einem Einzel-impulsbetrieb und verkürzt stufenweise die Totzeit zwischen den Impulsen, je mehr der Laststrom ansteigt. Die PFM-Frequenz klettert also bis zu einem Punkt, an dem sie nicht weiter durch einen einzelnen Impuls aufrechterhalten werden kann. Hier erfolgt dann der Übergang zum PWM-Betrieb. Das Timing für den PFM-Betrieb lässt sich aus der Spannungs-Zeit-Bilanz für die Induktivität nach den Gleichungen (1) und (2) ableiten.

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Die Ladung, die der Spulenstrom sowie der Ausgangskondensator (COUT) an die Last liefern, sollte innerhalb einer Schaltperiode gleich groß sein, damit die DC-Ausgangsspannung stabil bleibt. Wegen der Ladungsbilanz im Ausgangskondensator gilt Gleichung (3),

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um die Ausgangsspannung konstant zu halten.

Hierbei ist ΔUOUT die Welligkeit der Spannung am Ausgangskondensator. Von den verschiedenen PFM-Verfahren verursacht eine Einzelimpulssteuerung den niedrigsten Ripple. Dieser lässt sich noch weiter reduzieren, indem man den Ausgangskondensator vergrößert. Die Bausteine der 6-MHz-Abwärtswandler von TI können automatisch zwischen PFM- und PWM-Betrieb umschalten.

Dabei wechselt der Baustein in den PFM-Betrieb, wenn der durch die Induktivität fließende Strom während des PWM-Betriebs seine Richtung ändert. Umgekehrt beendet der Wandler den PFM-Betrieb, wenn die PFM-Impulse ineinander übergegangen sind. Der Laststrom, bei dem der Baustein vom PFM- in den PWM-Betrieb wechselt, ist im Wesentlichen eine Funktion der Ein- und Ausgangsspannungen sowie des Induktivitätswertes (siehe Gleichungen (4) und (5)).

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(5)  «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»I«/mi»«mfenced»«mi»PWM«/mi»«/mfenced»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§#8776;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfrac»«mrow»«msub»«mi»U«/mi»«mi»IN«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»U«/mi»«mi»OUT«/mi»«/msub»«/mrow»«mrow»«mi»L«/mi»«mo»§#183;«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»SW«/mi»«/msub»«/mrow»«/mfrac»«/math»

 

Um eine hohe Störfestigkeit und einen nahtlosen Übergang zwischen PFM- und PWM-Modus zu erreichen, ist es sinnvoll, die PFM-Einschaltzeit etwa 60% länger als die normale PWM-Einschaltzeit auszulegen.

Bei einer gegebenen Kombination von Eingangs- zu Ausgangsspannung von typisch 3,6 V zu 1,8 V wird der PWM-Ripple-Strom auf etwa 200 mA festgelegt.

In diesem Fall wechselt der Baustein in den PFM-Betrieb, wenn der Laststrom unter die Hälfte dieses Ripple-Stroms sinkt, also unter etwa 100 mA.

Umgekehrt beendet der Wandler den PFM-Betrieb, sobald der Laststrom über den halben PFM-Spitzenstrom steigt, also über zirka 130 mA. Aufgrund dieser beiden unterschiedlichen Bedingungen für die Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung des PFM-Betriebs hat die Regelschleife eine Hysterese von ungefähr 30 mA bis 60 mA (Bild 4).