DC/DC-Wandler
Audiogenuss ohne Störungen
Aus physikalischen Gründen lässt sich die minimale Einschaltzeit eines MOSFETs nicht unbegrenzt verkürzen. Besonders bei hohen Schaltfrequenzen und kleinen Tastverhältnissen kann dies dazu führen, dass der Wandler in den sogenannten Pulse-Skipping-Modus wechselt, in dem Impulse übersprungen oder ausgelassen werden. Dies kann zum Beispiel zu Störungen im Autoradio führen. Lässt sich das vermeiden?
Schaltwandler arbeiten meist mit konstanter Schaltfrequenz und regeln die Ausgangsspannung durch Pulsbreitenmodulation (PWM). Bei modernen Schaltwandlern liegt die minimale Einschaltzeit des MOSFETs meist im zwei- bis dreistelligen Nanosekundenbereich. Sie schließt die Zeit zum Laden des Gates ebenso wie die Totzeit usw. ein [1]. Bei hohen Schaltfrequenzen und kleinen Tastverhältnissen kann dies dazu führen, dass der Wandler in den sogenannten Pulse-Skipping-Modus wechselt. Dieser lässt sich bei PWM-Controllern von DC/DC-Wandlern auf verschiedene Weise implementieren. Das Pulse-Skipping per Hysterese überspringt nicht benötigte Impulse und löst einen einzelnen Impuls aus, sobald die Ausgangsspannung unter einen bestimmten Grenzwert fällt. Dies minimiert die Welligkeit der Ausgangsspannung.
Eine weitere Implementierungsart ist der Burst-Modus. Hier wird eine Folge von mehreren Impulsen ausgelöst, wenn die Ausgangsspannung einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung tendenziell welliger. Als weitere Optionen sind der Betrieb mit konstanter Einschaltzeit oder konstanter Ausschaltzeit anzusprechen. Beide haben jedoch den Nachteil, dass die Schaltfrequenz schon im normalen Betrieb mit der Last variiert, sodass sich die Kompensation und Filterung schwierig gestalten. Auf diese beiden Varianten wird daher im Folgenden nicht weiter eingegangen.
Im Auto beträgt die Bordnetzspannung nominell 12 V bis 14 V, kann sich aber im Fall eines Lastabwurfs (Load Dump) ohne weiteres verdoppeln. Die Ausgangsspannungen richten sich nach den Anwendungen und deren Anforderungen und betragen meist zwischen 1,2 V und 5 V.
Bild 1 zeigt am Beispiel des integrierten Schaltwandlers »TPS43340-Q1« [2] von Texas Instruments (jeweils AC-gekoppelt) die Ausgangsspannung (CH1, gelb) sowie die Ansteuerspannung für den Schalt-MOSFET (CH2, magenta). In grün (CH4) ist (ebenfalls AC-gekoppelt) der Spulenstrom dargestellt. Der Baustein wird zu Demonstrationszwecken mit 40 V Eingangsspannung betrieben und ist auf seine maximale Schaltfrequenz von 600 kHz eingestellt. Der Laststrom beträgt 500 mA. Die Messungen wurden am Evaluierungsmodul »TPS43340EVM« [3] vorgenommen, allerdings mit einer auf 1,2 V abgesenkten Ausgangsspannung. Bei 600 kHz Schaltfrequenz und einer minimalen Einschaltzeit von rund 100 ns würde der Baustein bei höheren Ausgangsspannungen nicht in den Pulse-Skipping-Modus wechseln. Am Schaltknoten (CH2, magenta) sind meist zwei oder drei aufeinanderfolgende Impulse zu sehen, bevor einer ausgelassen wird. Die Ausgangsspannung schwankt dank der eher häufigen Impulse nur geringfügig. Sie kann aber bei anderen Lastbedingungen ansteigen.
Maximale Schaltfrequenz berechnen
Das obige Beispiel mit 40 V Eingangsspannung ist natürlich kein normaler Anwendungsfall, aber mit anderen Schaltreglern, die höhere Schaltfrequenzen ermöglichen, oder bei geringeren Ausgangsspannungen kann Pulse-Skipping auch unter nominellen Bedingungen auftreten. Ein mögliches Beispiel hierfür ist der Abwärtsregler »TPS65320-Q1« [4] von Texas Instrument (TI), der Schaltfrequenzen bis 2,5 MHz unterstützt. Wird dieser Baustein verwendet, um bei einer minimalen Einschaltzeit von 100 ns eine Ausgangsspannung von 1,2 V aus 14 V Eingangsspannung zu erzeugen, müsste die maximale Schaltfrequenz auf 860 kHz reduziert werden, um Pulse-Skipping auszuschließen. Wenn eine gewisse Sicherheitsreserve für eine höhere Mindesteinschaltzeit oder höhere Eingangsspannungen (z.B. während eines Load-Dump-Ereignisses) einkalkuliert werden soll, muss die Frequenz sogar noch niedriger gewählt werden.
Die maximal zulässige Schaltfrequenz, mit der unter normalen Bedingungen Pulse-Skipping ausgeschlossen werden kann, lässt sich nach Gleichung (1) berechnen.
(1) 
In einem realen Design ist bei Berücksichtigung der Schaltverluste die Situation etwas entspannter. Ein Absenken der Schaltfrequenz ist aber den¬noch notwendig (zusätzlich müssen Sicherheitsreserven und mögliche höhere Eingangsspannungen eingerechnet werden (Gleichung (2)).
(2) 
Potenziell muss eine Spannung von 3,3 V oder 1,2 V nicht direkt aus dem oft stark schwankenden Bordnetz erzeugt werden, sondern lässt sich auch aus einer Spannung von 5 V gewinnen. Dies ergäbe für 3,3 V ein Tastverhältnis von 66%, womit sich die Einschaltzeit unter ansonsten identischen Bedingungen mehr als verdoppeln würde.
Einige Multi-Rail-Produkte wie der TPS43340-Q1 ermöglichen ein Kaskadieren, indem beispielsweise ein erster Abwärtswandler zum Erzeugen von 5 V benutzt wird, und diese Spannung zur Versorgung eines zweiten Abwärtswandlers dient, der eine Spannung von 3,3 V oder 1,2 V erzeugt (Bild 2).
Wiederum zu Demonstrationszwecken wurde ein Wandler mit 40 V gespeist und zum Generieren einer Ausgangsspannung von 5 V benutzt. Der 5-V-Ausgang wiederum dient dann zur Versorgung eines zweiten Abwärtswandlers mit 1,2 V Ausgangsspannung. Bild 3 zeigt das Oszillogramm von Ausgangsspannung (CH1, gelb), Schaltknoten (CH2, magenta) sowie Spulenstrom (CH4, grün) dargestellt. Gut zu sehen ist im Vergleich zu Bild 1, dass es hier auch bei 600 kHz Schaltfrequenz zu keinem Pulse-Skipping kommt.
Wichtige Parameter
Hier noch einmal die Parameter, die den Wechsel in den Pulse-Skipping-Modus veranlassen können, sowie Möglichkeiten zur Vermeidung dieses Wechsels:
- Ausgangsspannung: Diese wird von dem versorgten System vorgegeben und kann normalerweise nicht verändert werden.
- Eingangsspannung: Diese ist grundsätzlich durch die Bordnetzspannung vorgegeben, jedoch lässt sich unter Umständen eine niedrigere Spannung zur Versorgung verwenden.
- Schaltfrequenz: Möglicherweise lässt sich durch eine Verringerung der Schaltfrequenz (z.B. von 2,5 MHz auf 1,8 MHz) ein Erreichen der minimalen Einschaltzeit vermeiden, ohne in das AM-Band zu geraten.
- Ausgangsleistung: Auch diese ist durch das zu versorgende System vorgegeben. Die Welligkeit darf ein tolerierbares Maß nicht überschreiten, und die Drossel muss die höheren Ströme verkraften.
- Auswahl des Wandlers: Current-Mode-Wandler weisen tendenziell eine längere Einschaltzeit auf, sind aber einfacher zu kompensieren. Sorgfältiges Design vorausgesetzt, kann ein Voltage-Mode-Abwärtswandler eine geeignete Alternative sein.
Die entscheidendsten Auswirkungen des Pulse-Skippings sind die Ausgangswelligkeit und die Frequenzverschiebung. Wenn letztere dazu führt, dass das Design die Störaussendungsprüfungen nicht besteht oder hörbare Störungen im AM-Band verursacht, muss das Pulse-Skipping durch eine oder mehrere der oben erwähnten Maßnahmen vermieden werden. Wenn das Pulse-Skipping nur in Extremfällen, beispielsweise bei Load-Dumps, auftritt, dürfte es kaum hörbar sein. Da die Störaussendungsprüfungen bei Nennspannung durchgeführt werden, sind die Frequenzverschiebung und ihre Nebeneffekte nicht feststellbar. Ist die Spannungswelligkeit am Ausgang zu hoch, benötigt das System möglicherweise eine Zwischenspannung, um eine sehr niedrige Ausgangsspannung zu erzeugen, anstatt diese Spannung direkt aus der Bordnetzspannung zu generieren.
Über den Autor:
Frank Dehmelt ist Applikationsingenieur für Automotive-Power-Lösungen bei Texas Instruments.
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