Gleichspannungswandler
Neue Reglerkonzepte für Stromversorgungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
DC/DC-Umsetzer müssen viel können
Das bedeutet für alle DC/DC-Wandler, die direkt an der Batterie angeschlossen sind, dass sie mit den eben geschilderten Spannungsschwankungen zurecht kommen müssen. Die Ausgangsspannung der Wandler muss in jedem Betriebsfall geregelt werden können. Diese Anforderung wirkt sich auf die Auswahl der DC/DC-Wandlertopologie aus.
Die wieder aufladbare Li-Batteriezelle, die eben als Beispiel verwendet wurde, hat zum Beispiel während des größten Teils der Entladung eine Leerlaufspannung von 3,7 V. Sollen mit Hilfe dieser Batterie 3,3 V Systemspannung erzeugt werden, wäre es in einem statischen Betriebszustand bei niedriger Last möglicherweise ausreichend, Linearregler oder induktive Step-Down-Wandler für die Spannungsregelung einzusetzen. Wird die Last erhöht oder ist zum Beispiel zusätzlich zu diesem Wandler ein anderer Schaltungsblock an die Batterie angeschlossen, der die Batterie mit einem ähnlich hohen Strom belastet, kann sich die Spannung an den Anschlüssen der Batterie so weit verringern, dass ein Linearregler oder ein induktiver Step-Down-Wandler die 3,3 V nicht mehr regeln können, weil ihre Versorgungsspannung unter der eingestellten Ausgangsspannung liegt.
In diesem Fall kann die 3,3-V-Systemspannung nur geregelt werden, wenn man entweder Buck-Boost-Wandler einsetzt, die direkt aus der Batterie versorgt werden, oder wenn die Linearregler oder die Step-Down-Wandler über eine geregelte höhere Zwischenkreisspannung versorgt werden, die von einem Boost-Wandler aus der Batteriespannung erzeugt wurde. Steigt der Batteriestrom noch weiter an, zum Beispiel, weil die von der Batterie versorgten DC/DC-Wandler versuchen, bei sinkender Batteriespannung ihre Ausgangsspannung aufrecht zu erhalten, was bei konstanter Last nur mit höherem Eingangsstrom möglich ist, wird die Spannung an den Anschlüssen der Batterie noch weiter sinken. Der höhere Eingangsstrom vergrößert den Spannungsabfall am Innenwiderstand der Batterie und verringert somit die Versorgungsspannung der Wandler.
Ist der Batteriestrom bereits höher als der Strom, bei dem die maximale Leistung zur Verfügung steht, wird dieser Effekt noch weiter verstärkt, und die Ausgangsspannung kann nicht mehr geregelt werden, da die dazu nötige Leistung nicht mehr verfügbar ist. Ein höherer Batteriestrom verringert die für den DC/DC-Wandler verfügbare Leistung. Der größere Teil der verfügbaren Energie wird im Innenwiderstand der Batterie in Wärme umgesetzt. Im Extremfall wird die Batterie kurzgeschlossen. Durch eine Eingangsstrombegrenzung, die normalerweise in DC/DC-Wandlern eingebaut ist, wird dieser Extremfall verhindert.
Sicherer Betrieb trotz schwankender Versorgung
Um sicherzustellen, dass der Betrieb des Geräts in jedem Fall zuverlässig gewährleistet ist, gibt es mehrere Möglichkeiten. Der Einbau einer Batterie, die groß genug ist, um auch in extremen Betriebszuständen bei jedem Ladezustand genug Energie zu liefern, ist in jedem Fall eine einfache und sichere technische Lösung. Sie steht allerdings im Konflikt mit dem Ziel, kostengünstige, kleine, leichte und tragbare Geräte zu bauen.
Eine andere Möglichkeit ist, alle Versorgungsspannungen und die Batteriespannung zu überwachen, um entscheiden zu können, ob noch alle vorhandenen Funktionen des Geräts gleichzeitig in Betrieb genommen werden können.
Ein Bespiel dafür ist das Verhindern des Blitzlichts in einem Mobiltelefon bei nahezu entladener Batterie – wenn nämlich die Restenergie der Batterie dazu benötigt wird, die Telefonverbindung aufrechtzuerhalten. Um sicherzustellen, dass bei einem solchen Ansatz die verfügbare Energie in der Batterie auch voll ausgenutzt wird, ist es erforderlich, genau vorhersagen zu können, wie viel Energie noch zur Verfügung steht und vor allem, wie viel Energie für die entsprechenden Funktionen im ungünstigsten Fall gebraucht wird. Dabei muss man auch berücksichtigen, dass bei zunehmender Betriebsdauer die Batterien schwächer werden und damit die verfügbare Energie sinkt. Fertigungstoleranzen und Alterungseffekte in den elektronischen Bauteilen können sich genauso negativ auf die Energiebilanz auswirken und müssen deshalb berücksichtigt werden.
Um zu verhindern, dass die Applikationsschaltung die Energiequelle überlastet, kann der Eingangsstrom der Applikationsschaltung genau kontrolliert werden. Das ist zum Beispiel in Schaltungen der Fall, die über USB-Anschlüsse versorgt werden. Die Spezifikation für den USB-Anschluss definiert genaue Werte für den maximalen Strom bei verschiedenen Betriebsbedingungen. Um diese Spezifikation einzuhalten, ist eine genaue Eingangsstromüberwachung erforderlich. Für diese Anwendung gibt es speziell konfigurierte DC/DC-Wandler. Der Typ TPS62750 ist zum Beispiel ein Step-Down-Wandler, der diesen Anwendungsfall direkt unterstützt.
Bei Batterien oder Solarzellen hängt die verfügbare Leistung von dem aktuellen Innenwiderstand dieser Quelle ab. Dieser Innenwiderstand ändert sich aber mit dem Ladezustand der Batterie oder mit der Lichteinstrahlung auf die Solarzelle. Damit ist es nicht mehr möglich, mit einer konstanten und fest eingestellten Eingangsstrombegrenzung zu verhindern, dass das System die Quelle überlastet.
Bei Batterien besteht noch die Möglichkeit, die Strombegrenzung der DC/DC-Wandler so niedrig auszuwählen, dass die Schaltung im ungünstigsten Betriebszustand bei nahezu vollständiger Entladung der Batterie noch zuverlässig funktioniert. Die Leistungsfähigkeit der Batterie unter typischen Betriebsbedingungen wäre dabei zwar nicht voll ausgeschöpft, aber ein stabiler zuverlässiger Betrieb ist damit sichergestellt. Bei Solarzellen ist es allerdings auch möglich, dass gar kein Strom fließt. Damit wird ein fest eingestellter minimaler Wert für die Strombegrenzung sinnlos und stabiler Betrieb kann auch mit fest eingestellter Strombegrenzung nicht mehr garantiert werden.
Eine Eingangsstrombegrenzung in den DC/DC-Wandlern, die sich dynamisch an die Quelle anpasst, kann in beiden Fällen das Problem zufriedenstellend lösen. Unter typischen Bedingungen kann hohe Leistung abgerufen werden, während unter extremen Bedingungen die verfügbare Leistung begrenzt wird. Das ist vor allem dann hilfreich, wenn die Energiequelle die für bestimmte Schaltungsblöcke notwendigen Spitzenleistungen nicht liefern, aber über die Zeit im Mittel ausreichend Energie bereitstellen kann.
Wenn die Energie für die Spitzenlast am Ausgang des Wandlers in geeigneter Form gespeichert wird, wirkt die dynamische Eingangsstrombegrenzung des Wandlers wie ein adaptiver Tiefpassfilter für den Energiefluss und begrenzt die Spitzenlasten an der Quelle, falls eine Begrenzung erforderlich ist. Mit diesem Konzept können auch die einzelnen Schaltungsblöcke unabhängiger voneinander betrieben werden. Sie beeinflussen sich gegenseitig weniger über ihre Energieversorgung.
Es muss allerdings auch sichergestellt sein, dass im System und in den betroffenen Schaltungsblöcken bekannt ist, dass im Augenblick die Energie nur begrenzt zur Verfügung steht, um sicher entscheiden zu können, welche Funktionen in welcher Form aktiviert sein dürfen. Dazu ist es notwendig, von den einzelnen betroffenen DC/DC-Wandlern Informationen über ihren aktuellen Regelzustand zu erhalten. Falls ein Wandler den Eingangsstrom aktiv begrenzt, müssen die versorgte Schaltung und das System informiert werden, um rechtzeitig die richtigen Entscheidungen treffen zu können.
Durch die Begrenzung des Eingangsstroms wird auch die Leistung begrenzt, die der DC/DC-Wandler abgibt. Sie reicht dann nicht mehr aus, um die Last direkt zu versorgen. Damit wird abhängig vom Energiespeicher die Spannung am Ausgang des Wandlers sinken. Die Größe des Speichers und der Laststrom definieren die Zeit, die nach dem Aktivwerden der Eingangsstrombegrenzung bleibt, um die Last im System zu reduzieren, bevor die Spannung unter einen kritischen Wert gesunken ist. Würde nur die Spannung am Ausgang der Wandler überwacht werden, wäre die Information erst verfügbar, nachdem die Spannung unter einen kritischen Wert gesunken ist, was normalerweise zu spät ist, definitiv aber deutlich weniger Zeit lässt, um im System geeignete Entscheidungen zu treffen, um wieder in einen stabilen sicheren Zustand zurückzukehren.
Beide Funktionen – die dynamische Eingangsstrombegrenzung und Zustandsüberwachung der Regelung – sind im Wandler TPS63020 eingebaut und ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand nutzbar; der Reglerzustand wird am Power-Good-Ausgang angezeigt.
- Neue Reglerkonzepte für Stromversorgungen
- DC/DC-Umsetzer müssen viel können
- Praktischer Betrieb eines interessanten Wandlerkonzepts
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
