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Schaltungspraxis - Spannungswandler

Aufwärtswandler mit großem Übersetzungsverhältnis

17. Januar 2017, 18:14 Uhr | Florian Müller

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Tipps zum Leiterplattenlayout

Voraussetzung für ein gutes Layout ist, dass sich der Entwickler aller Stromschleifen bewusst ist, die in der Schaltung vorkommen. Im Ein-Zustand (von T₂) fließt der Strom vom Eingangskondensator über die Spule und den unteren Leistungs-MOSFET (T₂) und zurück zum Eingangskondensator. Im Aus-Zustand (von T₂) dagegen fließt der Strom vom Eingangskondensator über die Spule und den oberen Leistungs-MOSFET (T₁) zum Ausgangskondensator und von dort zurück zum Eingangskondensator. Es gilt die von diesen beiden Stromschleifen umschlossene Fläche zu minimieren. Empfehlenswert ist es, die Eingangskondensatoren mit einer gemeinsamen Massefläche nahe den Ausgangskondensatoren zu platzieren.

Auch die Stromschleifen zum Ansteuern der Leistungs-MOSFETs müssen so klein wie möglich sein. Hierbei ist zu beachten, dass der Strom aus dem Eingangskondensator kommt, der auch mit dem internen Spannungsregler verbunden ist, der den Schaltregler-IC versorgt, und dass er zu diesem Kondensator zurückfließen muss. Entwickler müssen darauf achten, dass die Leiterbahnen der von hohen Strömen durchflossenen Schleifen weit von den empfindlichen Bauelementen des Schaltregler-ICs entfernt sind. Zu letzteren gehören die Komponenten zum Parametrieren des Schaltregler-ICs – Einstellen der Schaltfrequenz, Sanftanlaufverhalten, Spannungsteiler zum Festlegen der Ausgangsspannung – und das Kompensationsnetzwerk. Alle sensiblen Bauelemente sollten möglichst nah am Schaltregler-IC angeordnet werden und über eine direkte Masseverbindung verfügen.

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Leichteres Entwickeln mit Referenzdesign und Software

Ein großes Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und Eingangsspannung macht den Entwurf von Gleichspannungswandlern komplexer, denn bei niedrigen Eingangsspannungen werden die Ströme sehr hoch. Durch die Wahl eines hohen Induktivitätswerts lassen sich die Spitzenströme zwar senken, doch büßt die Schaltung hierdurch an Reaktionsgeschwindigkeit ein. Je höher nämlich die Induktivität ist, umso niedriger ist die Frequenz der Nullstelle in der rechten Halbebene und umso geringer ist folglich auch die Bandbreite, die ein Indikator für die Ansprechgeschwindigkeit eines Reglers ist.

Die Schaltung PMP8532 [1] von TI zeigt ein Beispiel eines Aufwärtsreglers mit großem Übersetzungsverhältnis. Bei einem Eingangsspannungsbereich von 6,5 V bis 36 V beträgt die Ausgangsspannung 51 V bei einem maximalen Ausgangsstrom von 1,25 A. Der gewählte Induktivitätswert von 22 µH stellt einen guten Kompromiss zwischen Spitzenstrom und der Frequenz der Nullstelle in der rechten Halbebene dar. Mit dem von Texas Instruments als Freeware angebotenen Programm „Power Stage Designer Tool“ [2] lassen sich sämtliche Spannungen und Ströme der Leistungsstufe und die Frequenz der Nullstelle in der rechten Halbebene automatisch berechnen. Damit wird das Berechnen des optimalen Induktivitätswerts sehr einfach. Der maximale Wirkungsgrad der hier vorgestellten Aufwärtswandlerschaltung [1] beträgt 96 % (siehe Bild 2).

Weitere Informationen:

[1] 51V@1.25A Automotive Range Sync Boost converter, Texas Instruments, Referenzdesign PMP8532, www.ti.com/tool/PMP8532.

[2] Power Stage Designer of Most Commonly Used Switchmode Power Supplies. Texas Instruments, www.ti.com/powerstagedesigner.

Florian Müller

wurde 1976 in Rosenheim geboren. Nach dem Abschluss eines Elektrotechnik-Studiums an der Universität Haag arbeitete er mehrere Jahre freiberuflich im Bereich der Elektrotechnik, bevor er 2008 zur Power Design Services Group Europe von Texas Instruments in Freising wechselte. Gegenstand seiner Entwicklungsaktivitäten sind galvanisch trennende und nicht galvanisch trennende DC/DC- und AC/DC-Wandler für jegliche Anwendungsgebiete.

asktexas@ti.com