Startseite > Power > Power Management > Schaltreglerdesigns optimieren

DC/DC-Wandler

Schaltreglerdesigns optimieren

23. Juni 2016, 8:21 Uhr | Ralf Higgelke

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Verwendung von n-Kanal-MOSFETs

Für die weitergehende Optimierung bietet sich ein n-Kanal-MOSFET als Schalter an, der bei gleichem Durchlasswiderstand im Vergleich zum p-Kanal-Typ kostengünstiger ist. In diesem Fall ist jedoch eine ausreichend hohe Gate-Spannung erforderlich, die höher als die Drain-Spannung ist. Da normalerweise die Drain-Spannung zugleich die Eingangsspannung Vin ist, also die höchste Spannung der Schaltung, muss die hohe Gate-Spannung extern gewonnen werden. Um diese Spannung zu erzeugen, eignet sich eine Bootstrap-Schaltung. Diese »Ladungspumpe«, sie besteht aus einem Schalter, einem Kondensator und einer Diode, erzeugt eine Spannung gleich der Spannung Vin plus der internen Versorgungsspannung für die Gate-Ansteuerung des n-Kanal-MOSFETs.

In den letzten Jahren werden am Ausgang von Wandlern mittlerer oder größerer Leistung hauptsächlich n-Kanal-MOSFETs verwendet, da Anwender die erhöhte Effizienz auf Kosten einer geringfügig erhöhten Anzahl an Bauteilen bevorzugen. Jüngst gibt es aber wieder mehr Schaltungen mit externen Dioden, um die Zahl der erforderlichen Komponenten zu reduzieren. Das heißt, wir sehen mehr und mehr asynchrone Wandler mit n-Kanal-MOSFETs, die dementsprechend integrierte Bootstrap-Schaltungen benötigen.

Abgesehen von der Ansteuerung der n-Kanal-MOSFETs eignen sich Bootstrap-Schaltungen dafür, die Sättigungsspannung in Schaltungen mit bipolaren npn-Transistoren zu reduzieren. Mit dem BD9G341AEFJ hat Rohm einem DC/DC-Abwärtsregler vorgestellt, der diesen erhöhten Integrationsgrad, zeitgemäße Analogtechnik und einen proprietären 0,6-µm-BiCDMOS-Hochspannungsprozess für einen modernen asynchronen DC/DC-Wandler mitbringt. Die integrierte Bootstrap-Schaltung benötigt lediglich einen externen Keramikkondensator.

Ein weiteres wesentliches Unterscheidungsmerkmal bei Spannungsreglern ist die Art der Steuerung. Da die festgelegte Spannung auf einem konstanten Level zu halten ist, gibt es dafür diverse Rückkoppelungsverfahren. Weitgehend durchgesetzt hat sich der Strom-Modus, bei dem der Schaltkreis (wie beim BD9G341AEFJ) den Drosselstrom über den Durchlasswiderstand des MOSFETs oder über einen Strommesswiderstand erfasst. Obwohl die Regelung komplex ist, ist die Phasenkompensationsschaltung sehr viel einfacher als beim Spannungs-Modus. Weitere Vorteile sind die sehr stabile Rückkopplungsschleife und ein recht schnelles Einschwingen bei Lastsprüngen.

Ein weiteres Verfahren ist die Hysterese-Steuerung, die kurzes Ein¬schwingen bei Lastsprüngen bietet (z. B. bei CPUs und FPGAs) und die Spannungswelligkeit am Ausgang erfasst. Ein Komparator prüft die Ausgangsspannung ohne Fehlerverstärker und erkennt, wenn die Spannung über oder unter einen eingestellten Schwellenwert fällt. Es gibt drei solche Kontrollen: Erfassen eines Schwellenwert-Fehlbetrags in einer festgelegten Ein-Zeit, Erfassen einer Schwellenwertüberschreitung innerhalb einer festgelegten Aus-Zeit und der Einsatz von Zeitfenstern für beides – höher und niedriger als der Schwellenwert.

Die Hysterese-Methode hat infolge der direkt vom Komparator ausgeübten Steuerung sehr kurze Antwortzeiten und die ansonsten notwendige Phasenkompensation entfällt. Nachteilig sind die Probleme der Schaltfrequenzvariation (großer Jitter) und die Notwendigkeit eines Ausgangskondensators mit einem relativ großen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) für die Messung der Ausgangswelligkeit. Das neue Abwärtswandler-IC von Rohm kann die Hysterese mittels externem Widerstand durchführen und verbindet so die Stabilität des Strom-Modus mit der Variabilität und Geschwindigkeit der Hysterese-Steuerung. Eine Unterspannungserkennung schaltet Ausgang und Komparator ab, wenn die Eingangsspannung unter etwa 11 V fällt, und schaltet wieder ein, wenn die Spannung sich erholt und etwa 0,2 V über der Ausschaltschwelle liegt.