Controller-ICs für Schaltregler Abwärtswandler-ICs können mehr

Der vielseitige Abwärtswandler ist kompatibel mit Controller und Leistungs-FETs und lässt sich einsetzen für negative Spannungen, symmetrische Stromversorgung mit isolierten Ausgangsspannungen.
Vielseitiger Abwärtswandler: Schaltregler-ICs mit integrierten Leistungs-MOSFETs.

Abwärtswandler-ICs können, mit Controller und Leistungs-FETs integriert, vielseitig eingesetzt werden. Es lassen sich Schaltungen zum Erzeugen einer negativen Spannung, für symmetrische Stromversorgungen und sogar Stromversorgungen mit mehreren isolierten Ausgangsspannungen sehr einfach realisieren.

Schaltregler sind weit verbreitet. Eine der beliebtesten Schaltreglerschaltungen ist der Abwärtswandler, auch bekannt als Tiefsetzsteller. Meist bieten Halbleiterhersteller typischerweise Schaltregler-ICs für Abwärtswandler mit eingebautem Controller und integrierten Leistungs-FETs an. Solche Regler-ICs sind in erster Linie dafür vorgesehen, in einem Spannungswandler eine niedrigere Spannung zu erzeugen. Allerdings lassen sie sich auch für andere Schaltungen nutzen, wie Wechselrichter, bipolare Stromversorgungen sowie für Stromversorgungen mit einer oder mehreren galvanisch isolierten Ausgangsspannungen.
 

Abwärtswandler mit Schaltregler-IC

Die IC-Familie für Schaltregler ISL8541x von Renesas enthält integrierte Leistungs-FETs, eine interne Bootstrap-Diode sowie ein internes Kompensationsnetzwerk, was die externen Komponenten auf ein Minimum reduziert und einen sehr kompakten Aufbau ermöglicht. Darüber hinaus hat diese Familie von Schaltregler-ICs einen weiten Eingangsspannungsbereich von 3 V bis 40 V und eignet sich damit für den Betrieb an einer aus mehreren Zellen bestehende Batterie, um unterschiedliche geregelte Ausgangsspannungen zu erzeugen.

Ein Abwärtswandler ist notwendig, wenn der gewünschte Spannungspegel niedriger ist als die verfügbare Spannungsquelle. Angenommen, die Eingangsspannung stammt von einer 12-V-Batterie, aber für die Versorgung der Mikrocontroller, E/A-Schaltungen, des Speichers und FPGAs sind niedrigere Versorgungsspannungen wie 5 V, 3,3 V oder 1,2 V erwünscht. Die Umwandlung einer hohen in eine niedrigere Spannung mit hohem Wirkungsgrad durch einen Abwärtswandler bietet längere Batterielaufzeiten, geringere Verlustleistung und eine höhere Zuverlässigkeit – im Vergleich zu Linearreglern.

Bild 1 zeigt den vereinfachten Schaltplan eines Abwärtswandlers mit dem Schaltregler-IC ISL85410 [1]. Die Ausgangsspannung hat die gleiche Polarität wie die Eingangsspannung. Das Übersetzungsverhältnis bei kontinuierlichem Stromfluss (CCM, Continuous Conduction Mode) lässt sich ausdrücken als:

 

ü equals U subscript A over U subscript E space space space space space left parenthesis 1 right parenthesis

 

Es entspricht dem Tastverhältnis (TV). Sein Wert liegt zwischen 0 und 1. Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung (UA) immer kleiner oder gleich der Eingangsspannung (UE) ist.

Negative Spannung mit einem Abwärtswandler-IC erzeugen

Auch wenn positive Spannungen häufig genutzt werden und in elektronischen Systemen vorhanden sind, braucht es gelegentlich auch negative Spannungen.

In diesen Fällen ist eine Stromversorgung erforderlich, die eine negative Spannung aus einer positiven Eingangsspannung erzeugt. Ein Aufwärts-/Abwärtswandler zählt zu den beliebtesten Grundschaltungen, um eine negative Gleichspannung zu generieren.

In Bild 2 ist zum Vergleich die Leistungsstufe eines Abwärtswandlers neben der eines Aufwärts-/Abwärtswandlers gezeichnet, der eine negative Ausgangsspannung erzeugt. Dabei zeigt sich, dass ein solcher Aufwärts-/ Abwärtswandler realisiert werden kann, indem der FET T2 mit der Induktivität L1 getauscht wird. Diese Schaltungsänderung führt zu einem anderen Tastverhältnis und ändert die Polarität der Ausgangsspannung:

 

ü equals space U subscript A over U subscript E equals fraction numerator T V over denominator 1 minus T V end fraction space space space space space left parenthesis 2 right parenthesis

In einem Aufwärts-/Abwärtswandler, der eine negative Ausgangsspannung erzeugt, kann der Betrag der Ausgangsspannung entweder größer oder kleiner als die Eingangsspannung sein, wobei die Ausgangsspannung negativ in Bezug auf die Masse der Eingangsspannungsquelle ist. Ein solcher Aufwärts-/Abwärtswandler für negative Ausgangsspannungen lässt sich mit einem integrierten Schaltregler-IC realisieren, wie das vereinfachte Beispiel in Bild 3 mit einem ISL85410 zeigt.

Beim Konfigurieren eines Abwärtswandler-ICs als Aufwärts-/Abwärtswandler zum Erzeugen einer negativen Ausgangsspannung muss der Entwickler auf zwei wesentliche Unterschiede achten.

Der erste Unterschied besteht in der Verbindung der Rückleitung (Masse) der Eingangsspannungsquelle (UE). Im Abwärtswandler in Bild 1 wird die Masse-Leitung der Eingangsspannungsquelle mit der Geräte-Masse, d.h. mit den AGND/PGND-Pins des Abwärtswandler-ICs verbunden. In der Schaltung mit dem Aufwärts-/Abwärtswandler zur Erzeugung einer negativen Ausgangsspannung ist die Rückleitung (Masse-Anschluss) der Eingangsspannungsquelle dagegen nicht mehr identisch mit der Geräte-Masse. In diesem Fall muss die Eingangsspannungsquelle zwischen dem UE-Pin und Geräte-Masse (Ausgang) angelegt werden und nicht an den AGND/PGND-Pins des Abwärtswandler-ICs.

Der zweite Unterschied besteht in der Spannungsbelastung am UE-Pin in Bezug auf den AGND-Pin. In einem Abwärtswandler ist diese Spannung unabhängig von der Ausgangsspannung immer gleich der Eingangsspannung (UE). Im Gegensatz dazu muss der UE-Pin in einem Aufwärts-/Abwärtswandler zur Erzeugung einer negativen Ausgangsspannung die Summe aus der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung (UE + UA) tolerieren können. So beträgt die Spannungsbelastung am UE-Pin beispielsweise in einer Schaltung, bei der 24 V in –5 V umgewandelt wird, 29 V anstelle von 24 V. Dabei ist zu beachten, dass die Spannungsbelastung am UE-Pin nie größer sein sollte als die absolute, maximal im IC-Datenblatt spezifizierte Spannung.