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Schaltungsentwurf mit LTspice

Aufwärtswandler richtig auslegen

20. Mai 2021, 10:00 Uhr | Rani Feldman, Analog Devices

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

LTspice bei einem Aufwärtswandler nutzen

Sucht man ein Abwärtsregler-IC, ist die Annahme, dass das Datenblatt den maximal zulässigen Ausgangsstrom angibt, richtig, da Iin in etwa gleich Iout ist. Beim Hochsetzsteller Verhält es sich jedoch anders. Die Schaltung in Bild 9 zeigt den Grundaufbau einer Open-Loop-Schaltung für einen Aufwärtswandler, der die Spannung von 3,3 V auf 12 V/0,275 A erhöht, also eine Ausgangsleistung von etwa 3,3 W hat. Wie hoch ist der durchschnittliche Spulenstrom in diesem Fall?

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In Bild 10 zeigt die rote Kurve den Verlauf von I_R2, und die Messung des Stromes ergibt eine Stromaufnahme von 291 mA, was in etwa der Berechnung entspricht. Doch während der simulierte Laststrom 291 mA beträgt, ergibt die Simulation für den Spulenstrom einen Mittelwert von 0,945 A und einen Spitzenwert von mehr als 1 A.

In diesem Beispiel ist der Spitzenstrom durch die Induktivität also mehr als 3,6 Mal so hoch wie der Ausgangsstrom. Während T_on – also wenn der M2 leitet – und an L2 eine Spannung von V3 anliegt, lädt sich die Spule von ihrem Minimalwert auf den Maximalwert auf. Bei Ton ist D2 ausgeschaltet und der Laststrom wird komplett von den Ausgangskondensatoren bereitgestellt (Bild 11).

Während T_on befindet sich die Spule mit dem MOSFET in Serie, und der Strom durch die Eingangsinduktivität ist der gleiche Strom, der auch durch den Schalter fließt. Daher spezifiziert das Datenblatt den maximalen Strom, der durch den Schalter fließen kann, genannt I_sw bzw. I_switch. Bei der Auswahl eines Boost-ICs für eine neue Schaltung sollte die Höhe des maximalen Stromes durch den Schalter (und die Induktivität) bekannt sein.

Designbeispiel Hochsetzsteller

Wollen wir beispielsweise einen Aufwärtsregler, der 12 V auf 48 V mit einem Ausgangsstrom Iout von 0,15 A wandelt, entwickeln, müssen wir zunächst den durchschnittlichen Eingangsstrom ermitteln, da dies der Strom ist, der während Ton durch die Induktivität und den MOSFET fließen wird. Dafür brauchen wir die Ausgangsleistung und den Wirkungsgrad (angenommen 85 Prozent):

$table attributes columnalign right center left columnspacing 0px end attributes row cell I subscript i n end subscript end cell equals cell P subscript i n end subscript over U subscript i n end subscript equals fraction numerator begin display style bevelled P subscript o u t end subscript over eta end style over denominator U subscript i n end subscript end fraction equals fraction numerator begin display style bevelled fraction numerator U subscript o u t end subscript times I subscript o u t end subscript over denominator eta end fraction end style over denominator U subscript i n end subscript end fraction equals end cell row blank equals cell fraction numerator begin display style bevelled fraction numerator 48 space V times 0 comma 15 space A over denominator 0 comma 85 end fraction end style over denominator 12 space V end fraction equals 0 comma 7 space A end cell end table$

Dies ist der durchschnittliche Eingangsstrom und damit auch der Strom, der während der Einschaltzeit T_on in die Spule und in den Schalter fließt. Wenn wir noch den Ripple mit 30 Prozent bis 40 Prozent einbeziehen, kommen für den maximalen Spitzenstrom noch einmal 15 Prozent bis 20 Prozent hinzu, also insgesamt 0,847 A.

Normalerweise wird der Eingangsspannungsbereich U_in eines ICs angegeben, sowohl für den empfohlenen als auch für den absoluten Maximalwert. Die höchstmögliche Ausgangsspannung eines Aufwärtsreglers ist die maximale Drain-Source-Spannung U_DS(max) des internen MOSFET oder sein maximaler Usw-Wert. Beim Einsatz eines Aufwärtsreglers mit einem externen MOSFET als Leistungsschalter ist dessen U_DS(max) die erste Begrenzung für die maximale Ausgangsspannung.

Der LT8330 ist beispielsweise ein Aufwärtsregler mit einem Eingangsspannungsbereich von 3 V bis 40 V, einer absoluten maximalen Schaltspannung von 60 V und einer festen Schaltfrequenz von 2 MHz. Aufgrund der maximalen Spannung des Schalters von 60 V kann das Bauteil eine Spannung von bis zu 60 V ausgeben, wobei es anzuraten ist, mindestens 2 V unter dieser Spannung zu bleiben. Die zweite Einschränkung ist die Einschaltdauer T_on, wobei die maximale und minimale Einschaltdauer im Datenblatt üblicherweise angegeben ist oder berechnet werden kann.

Nutzen wir den LT8330 zur Wandlung von 12 V auf 48 V im nichtlückenden Betrieb und unter Vernachlässigung des Spannungsabfalls an der Diode für ein hohes Wandlungsverhältnis, lässt sich das Tastverhältnis D aus der Eingangs- und Ausgangsspannung folgendermaßen berechnen:

$D equals fraction numerator U subscript o u t end subscript minus U subscript i n end subscript over denominator U subscript o u t end subscript end fraction equals fraction numerator 48 space V minus 12 space V over denominator 48 space V end fraction equals 0 comma 75$

Nun ist zu prüfen, ob der IC mit dem erforderlichen Tastverhältnis arbeiten kann. Das Mindesttastverhältnis D_min des ICs ist:

$D subscript m i n end subscript equals T subscript o n open parentheses m a x close parentheses end subscript times f subscript s w open parentheses m a x close parentheses end subscript$

Und das maximale Tastverhältnis D_max des ICs ist:

$D subscript m a x end subscript equals 1 minus left parenthesis T subscript o f f open parentheses m a x close parentheses end subscript times f subscript s w open parentheses m a x close parentheses end subscript right parenthesis$

T_on und T_off sind im Datenblatt angegeben. Unter Verwendung dieser Datenblattwerte in obigen Gleichungen ergibt sich für D_min ein Wert von 0,225, für D_max ein Wert von 0,86. Dies zeigt, dass der LT8330 in der Lage sein sollte, 12 V in 48 V umzuwandeln, da die Schaltung eine Einschaltdauer von 0,75 erfordert.