Der Stellenwert des Buck-/Boost-Wandlers Über traditionelle Stromversorgungs-Designs hinaus

Die Flexibilität und das Potenzial von nicht-invertierender Abwärts-/Aufwärts-Wandler optimal ausnutzen.
Nicht-invertierender Abwärts-/Aufwärts-Wandler haben großes Potenzial.

Ein nicht-invertierender Abwärts-/Aufwärts-Wandler sorgt für Flexiblität beim Design von Stromversorgungen. Das Potenzial solcher Wandler möglichst optimal auszunutzen, ist beispielsweise für Solaranwendungen entscheidend.

Die Eingangsspannungsbedingungen von DC/DC-Wandlern sind sehr verschieden – denn in der Realität hat man es immer mit nicht-idealen Stromquellen oder Multi-Input-Stromquellen zu tun. Dazu kommen Störungen durch Spannungsspitzen und Lade- bzw. Entladevorgänge von Stromspeichern. Ein Buck-/Boost-DC/DC-Wandler ist eines der wertvollsten Bauelemente im Werkzeugkasten eines Stromversorgungsentwicklers, der mit solchen unterschiedlichen Bedingungen umgehen muss.

Nicht-invertierende Abwärts-/Aufwärts-Wandler mit nur einer Spule konvertieren eine Eingangsspannung nahtlos herunter oder herauf und regeln die Ausgangsspannung, unabhängig davon, ob die Eingangsspannung unter, gleich oder über der Ausgangsspannung liegt. Durch diese Flexibilität kann ein Abwärts-/Aufwärtswandler zwei ICs ersetzen – einen separaten Abwärtswandler oder einen linearen Low-Dropout-Regler plus einen Aufwärtswandler, was die Batteriebetriebsdauer in portablen Systemen deutlich verlängert.

Die Stückliste wird einfacher und man spart Platz auf der Leiterplatte. Bei mehreren Stromquellen kann ein Abwärts-/Aufwärtswandler abhängig von der Stromquelle exklusiv im Abwärts- oder Aufwärts-Modus eingesetzt werden. In einer Power-Back-up-Anwendung dagegen, in der ein entladendes Speicherelement eine Entladekurve aufweist, die den erforderlichen festen Ausgangbereich umfasst, führt ein Abwärts-/Aufwärtswandler beide Betriebsmodi aus.

Stromversorgungsszenarien

Je nach Anwendung können die Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche sehr stark variieren. Die industriellen Standard-Stromversorgungs-Busse arbeiten entweder mit 24 V oder 12 V. Da die meisten Systeme mehrere gut geregelte Spannungspegel benötigen, um Strom zu liefern, werden die Pegel mit niedrigerer Spannung von Abwärtswandlern oder LDOs versorgt.

Es bestehen jedoch diverse Anforderungen an stabilisierte 12-V- und 24-V- Pegel zum Versorgen von Sensoren und diversen analogen Funktionen wie OPVs, Motoren oder Transceivern. Viele dieser Anwendungen erfordern eine Abwärts- und Aufwärtswandlung – abhängig vom Zustand des Versorgungs-Busses oder der Systemkonfiguration. Ein Ab-/Aufwärtswandler bietet die Flexibilität, mit einer Vielzahl von Stromquellen zu arbeiten, was die Anzahl der Leistungswandler im Design und die Stückliste minimiert.

In Automobilanwendungen stellt die 12-V-Batterie die Hauptstromversorgung für die gesamte Elektronik dar. Die Spannung kann während eines Kaltstarts auf bis zu 3 V abfallen und während eines Lastabwurfs auf nahezu 40 V ansteigen (begrenzt von einer Transzorb-Diode).

Automotive-Stromversorgungen

Die Automotive-Umgebung stellt raue Testbedingungen für die Elektronik dar, denn es ist ein stabiler Betrieb unter einer Vielzahl unterschiedlicher Betriebsbedingungen erforderlich. So sind viele der internen Systeme ungefähr der doppelten Batteriespannung von 24 V ausgesetzt (zum Beispiel während einer Fremdstarthilfe).

Solche extremen Spannungsbedingungen und die hohen Temperaturen, die unter der Motorhaube auftreten können, machen eine robuste Elektronik erforderlich. Deshalb ist es ratsam, einen Ab-/Aufwärtswandler zu benutzen, um die Systemspannungen zu erzeugen – einschließlich der üblichen 5-V- und 12-V-Pegel, die bei elektrischen Systemen im Automobil vorherrschend sind.

In der Luft- und Raumfahrt sowie bei militärischen Anwendungen gibt es ebenfalls Standard-Spannungspegel. Aber solche Applikationen können auch mit unterschiedlichen Batteriekonfigurationen und an Solarzellen arbeiten. Deshalb benötigen sie Stromversorgungen, die einen sehr weiten Eingangsspannungsbereich handhaben können.

Einige Applikationen müssen viele unterschiedliche Eingangsquellen akzeptieren können, sodass praktisch jede Stromquelle das System automatisch versorgt. Viele militärische Applikationen müssen beispielsweise unterschiedliche Batteriearten, Netzteile und sogar Solarzellen akzeptieren.

Sowohl industrielle als auch Militär- bzw. Luft-und-Raumfahrt-Anwendungen benötigen eine robuste Stromversorgung für die nachgelagerte Elektronik, und zwar unter schwierigen Eingangsspannungsbedingungen wie sie in Automotive-Umgebungen herrschen. Zusätzlich benötigen sie typischerweise weite Betriebstemperaturbereiche.

Design-Herausforderungen

In der Vergangenheit wurden Entwicklungen, die sowohl einen Abwärts- als auch einen Aufwärtswandlungs-Modus erfordern, mit mehreren Leistungswandlern aufgebaut – mit den damit verbundenen typischen Problemen wie der größeren Leiterplattenfläche und den größeren Abmessungen, den höheren Kosten, der größeren Komplexität, der geringeren Zuverlässigkeit, dem höherem Ruhestrom IQ und dem geringeren Wandlungs-Wirkungsgrad.

Einfacher als die Verwendung mehrerer Leistungswandler ist eine alternative Topologie wie beispielsweise ein SEPIC-Wandler (Single-Ended Primary Inductance Converter). Dieser hat allerdings einen um etwa 10 % geringeren Wirkungsgrad als ein synchroner Abwärts-/Aufwärtswandler und benötigt zwei Spulen sowie einen Hochstrom-Koppelkondensator, was zu zusätzlicher Komplexität, potenziellem Rauschen und zu einer kürzeren Batteriebetriebszeit führt.

Der Boost-Modus-Betrieb in einem Buck-/Boost-Wandler bringt eine Reihe von besonderen Herausforderungen mit sich – insbesondere, wenn der Aufwärtswandler ausgeschaltet ist oder während dem anfänglichen Anschließen der Stromquelle. Der konventionelle Aufwärtswandler hat über die Spule und die Boost-Diode einen direkten Strompfad von UIN nach UOUT.

Dadurch kann es zu hohen und potenziell Schaden verursachenden Einschaltströmen kommen, wenn Spannung an UIN angelegt wird und daher UOUT teilweise versorgt wird – mit einem Diodenabfall unter UIN, wenn der Leistungswandler ausgeschaltet wird. Glücklicherweise integrieren viele der Abwärts-/Aufwärtswandler der Marke Power by Linear in ihrer Vier-Schalter-Architektur eine Ausgangstrennfunktion.

Deshalb wird beim anfänglichen Anlegen von Strom an UIN der Eingangsstrom des Abwärts-/Aufwärtswandlers kontrolliert und steigt allmählich von Null bis zum Stromgrenzwert an, während UOUT hochfährt. Im ausgeschalteten Zustand trennt der Buck-/Boost-Wandler UOUT vollständig von UIN, so dass UOUT sicher auf Null entladen werden kann.

Bilder: 3

Design-Herausforderungen, Bilder 1-3

Design-Herausforderungen, Bilder 1-3

Einige Back-up-Anwendungen, die Superkondensatoren verwenden, lassen sich besser mit Abwärts-/Aufwärtswandlern bedienen, die auch bei sehr kleinen Eingangsspannungen arbeiten können. Eine Kondensatorbank (bestehend aus Superkondensatoren, Elektrolytkondensatoren, etc.) wird beispielsweise auf einen bestimmten Spannungspegel geladen.

Sollte die Versorgung ausfallen, kann der nachgelagerte Abwärts-/Aufwärtswandler die Ausgangsregelung aufrechterhalten, da er die gesamte Energie aus den Kondensatoren nutzen kann. Dadurch lässt sich die für die Anwendung benötigte Kapazität verringern. Ein modernerer Wandler benötigt für den Betrieb jedoch immer noch 2,x V an Eingangsspannung. Deshalb müssen die Anwender einige Tricks einsetzen (Rückspeisung, etc), wenn sie Strom aus einem Eingang ziehen möchten, dessen Pegel unter 2,x V liegt. Viele DC/DC-Wandler können das nicht.

Analog Devices hat Abwärts-/Aufwärtswandler im Programm, bei denen viele dieser Probleme gelöst sind. Für Eingänge, die bis zu 40 V verkraften können müssen, sind die beiden Wandler LTC3115-1/-2 und LTC3114 optimiert. Für Eingangsspannungen bis 15 V sind der LTC3111, der LTC3112 und der LTC3129 mit seinem besonders geringen Ruhestrom verfügbar.

Weitere Produkte der Familie LTC311x erweitern den Eingangsspannungsbereich auf 18 V und unterstützen einen Ausgangsstrom von 5 A im Buck-Modus. Nichtsdestotrotz gab es bis vor Kurzem eine Lücke, die von der Branche nicht adressiert wurde: ein Buck-/Boost-Wandler für 12-V-/24-V-Systeme, der einen moderaten Ausgangsstrom von bis zu 600 mA aufweist sowie den Betrieb bei niedrigen Spannungen nach dem Einschalten erlaubt und sich durch einen geringen Ruhestrom auszeichnet.

Ein Abwärts-/Aufwärtswandler, der die beschriebenen Probleme löst, sollte die folgenden Eigenschaften erfüllen:

  • Betrieb über einen weiten Eingangs-/Ausgangsspannungsbereich
  • Fähigkeit, ausreichend Ausgangsstrom zu liefern
  • Sehr geringer IQ
  • Geringes Ausgangsrauschen/Welligkeit
  • Hoher Wirkungsgrad
  • Ausgangstrennung bei Betrieb im Boost-Modus
  • Nur wenige externe Komponenten werden benötigt, einfach im Design
  • Hervorragendes thermisches Verhalten

Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden die Bausteine LTC3130 und LTC3130-1 entwickelt. Diese monolithischen Synchron-Abwärts-/Aufwärts-wandler mit maximal 25 V Eingangs- und Ausgangsspannung liefern bis zu 600 mA im Buck-Modus und weisen einen sehr geringen Ruhestrom von 1,2 µA auf (Bild 1).

Beide Bausteine haben einen Eingangsspannungsbereich von 2,4 V bis 25 V und einen Ausgangsspannungsbereich von 1 V bis 25 V, der beim LTC3130 einstellbar ist (Bild 2). Sie bieten einen geregelten Ausgang bei Eingangsspannungen, die über oder unter der Ausgangsspannung liegen, oder ihr gleich sind. Einmal eingeschaltet benötigen die Bausteine nur noch eine typische Eingangsspannung von 0,6 V.

Der vom Anwender wählbare Burst-Modus senkt den Ruhestrom auf nur 1,2 µA, was den Wirkungsgrad bei geringen Lasten steigert und die Batterielaufzeit verlängert. Die proprietäre Abwärts-/Aufwärtswandler-Topologie der LTC3130/-1 sorgt für ein rauscharmes, jitterfreies Schalten in allen Betriebsarten, was ideal für HF- und präzise Analog-Applikationen ist, die empfindlich auf Rauschen der Stromversorgung reagieren.

Die konstante Schaltfrequenz von 1,2 MHz stellt ein geringes Rauschen und einen hohen Wirkungsgrad sicher, gleichzeitig lassen sich die Abmessungen der externen Komponenten minimieren (Bild 3). Die eingebaute Schleifenkompensation und der Soft-Start reduzieren die Anzahl der externen Komponenten und vereinfachen das Design mit dem Wandler. Weitere Features sind eine Power-Good-Anzeige, eine pin-selektierbare Strombegrenzung, ein präziser Run-Pin-Schwellwert, ein externer UCC-Eingang und eine thermische Abschaltfunktion.