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DC-DC-Wandler

Einführung in Verfahren und Topologien von DC-DC-Wandlern

18. November 2021, 15:33 Uhr | Mark Patrick, Mouser Electronics

Bei der DC-DC-Wandlung existieren einige grundlegenden Konzepte und verschiedene Topologien, die für diskrete und modulbasierte Designs verwendet werden. Weitere wichtige, kritische Aspekte bei DC-DC-Wandlern sind die galvanische Trennung und die Spannungsregelung über die Isolationssperre hinweg.

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In fast allen Technologien, die wir verwenden, kommen Spannungswandler zum Einsatz. Ein Beispiel dafür ist das Smartphone. Es enthält meist einen Lithium-Ionen-Akku mit einer Nennausgangsspannung von 3,7 V. Die zahlreichen ICs im Smartphone und die damit verbundenen Funktionen arbeiten mit unterschiedlichen Spannungsniveaus – die gängigsten sind 1,8 V, 3,3 V und 5,0 V. Mithilfe von DC-DC-Wandlern werden die 3,7 V in die entsprechende Spannung umgesetzt, unabhängig davon, ob diese über oder unter der Nennausgangsspannung des Akkus liegt.

Ein weiteres ähnliches Beispiel sind die einfachen USB-Powerbanks, die millionenfach verkauft werden, um unsere mobilen Geräte unterwegs aufzuladen. Auch hier kommt ein einzelner Lithium-Ionen-Akku mit einer Spannung von 3,7 V zum Einsatz, und ein DC-DC-Wandler erhöht diese Spannung auf die Standard-USB-Ausgangsspannung von 5 V.

Bei der AC-DC- und DC-DC-Wandlung gibt es zwei völlig unterschiedliche Verfahren: das lineare und das getaktete Verfahren. In der Vergangenheit war das lineare Verfahren für netzbetriebene Geräte weit verbreitet, hatte aber den Nachteil, dass dafür relativ voluminöse Bauelemente wie große Transformatoren und Glättungskondensatoren benötigt wurden. Bei einigen speziellen DC-DC-Wandlungsaufgaben werden immer noch Linearregler eingesetzt, aber bei den meisten Anwendungen kommt heute ein Schaltregler zum Einsatz.

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Bei getakteten DC-DC-Wandlern wird die Energie in einer Induktivität oder einem Kondensator gespeichert. Im Gegensatz zu einem linearen Ansatz kann ein Schaltregler eine Ausgangsspannung liefern, die größer oder kleiner als die Eingangsspannung ist. Bild 1 zeigt das Grundprinzip eines getakteten DC-DC-Wandlers.

Als Schaltsteuersignal wir ein PWM-Signal (Pulse Width Modulation; Pulsbreitenmodulation) an einen Halbleiterschalter (Leistungstransistor) angelegt. Das Tastverhältnis und die Frequenz des PWM-Eingangs beeinflussen direkt den Wirkungsgrad, die Lastregelung und die Ausgangsspannung. PWM und der Leistungstransistor bilden im Wesentlichen eine Ladungspumpenschaltung, die im eingeschalteten Zustand Energie in einer Induktivität oder einem Kondensator speichert. Während der Aus-Phase des PWM-Signals wird diese Energie wieder abgegeben und gleichgerichtet. Das PWM-Signal regelt die Ausgangsspannung. Über einen Transformator anstelle einer Spule lassen sich Ein- und Ausgang des Wandlers galvanisch isolieren.

Im Laufe der Jahre haben sich verschiedene Architekturen oder Topologien bei DC-DC-Wandlern durchgesetzt, die im Folgenden kurz erläutert werden.

Tiefsetzsteller (Abwärtswandler, Buck Converter)

Eine Abwärtswandler-Topologie wandelt eine Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung um, beispielsweise 5 V in 3,3 V. Die Schaltung wird in Bild 2 vereinfacht dargestellt. Darin ist SW1 in der Regel ein Transistor, der mit einem PWM-Signal angesteuert wird, und SW2 ist eine Diode. Ist SW1 geschlossen bzw. eingeschaltet, fließt Strom durch die Induktivität, wodurch sie Energie speichert. Öffnet SW1, wird die in der Induktivität gespeicherte Energie durch einen Strom freigesetzt, der durch die durch SW2 dargestellte Diode fließt und eine Ausgangsspannung liefert. Diese Spannung hängt vom Tastverhältnis des PWM-Schaltsignals ab (Bild 3).

Bei einem synchron-gleichgerichteten Abwärtswandler wird die Diode durch ein anderes Schaltelement ersetzt. Dieser ist in der Regel ein MOSFET, der von einem zum PWM-Signal phasenverschobenen Schaltsignal angesteuert wird. MOSFETs haben in der Regel einen geringeren Durchlasswiderstand, wodurch die Verluste reduziert werden.

Hochsetzsteller (Aufwärtswandler, Boost Converter)

Wie der Name schon sagt, ist bei einem Aufwärtswandler die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung. Wie viel höher diese ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab, aber für die meisten praktischen Zwecke liegt das Maximum beim Fünffachen der Eingangsspannung. Um die Ausgangsspannung gut regeln zu können, ist ein Faktor von bis zu dreimal praktikabler (Bild 4).

Im Vergleich zu der in Bild 2 dargestellten Konfiguration des Hochsetzstellers sind der Schalttransistor S₁, die Induktivität L₁ und die Diode D₁ (die in Bild 1 ein Schalter war) an abweichenden Positionen angeordnet. Ist S₁ eingeschaltet, wird Energie in L₁ gespeichert. Wird S₁ ausgeschaltet, wird die Energie zur Eingangsspannung addiert, die bereits am Eingangskondensator anliegt, und an den Ausgangskondensator weitergeleitet.

Sowohl Tief- als auch Hochsetzsteller benötigen nur sehr wenige Bauelemente und erreichen dadurch einen hohen Wirkungsgrad, der in der Regel bis zu 97 Prozent beträgt.