Leichtlast-Wirkungsgrad verbessern
FET emuliert Diode
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
SyncFETs lassen Ströme rückwärts fließen
In einem Abwärtswandler mit Freilaufdiode konnte der Spulenstrom nie ins Negative abfallen, weil dieses Bauteil den Strom nur in einer Richtung leitet. Wenn der Wandler unter niedriger Last läuft, ergibt sich daher während des lückenden Betriebs ein Stromverlauf wie in Bild 4 gezeigt.
Bild 5 stellt dar, was geschieht, wenn die Diode des Buck-Schaltreglers durch einen SyncFET ersetzt wird und bei niedriger Last arbeitet – der Strom fällt ins Negative ab. Im Gegensatz zum Standard-Abwärtswandler mit einem Diodengleichrichter lässt der SyncFET zu, dass der Spulenstrom während des DCM rückwärts fließt und dabei Energie vom Kondensator des Ausgangsfilters zu »stehlen«. Dieses Verhalten verringert wegen des unnötigen Verlusts den Wirkungsgrad bei leichter Last, denn der SyncFET leitet den negativen Spulenstrom Richtung Masse ab. Dies muss verhindert werden.
Diodenemulation verhindert Rückwärtsströme
Viele moderne Controller enthalten eine Schaltung, die einen DCM-Leitungsverlust dadurch vermeidet, dass der Low-Side-SyncFET dazu gebracht wird, das Strom-blockierende Verhalten einer Diode zu emulieren. Dieser Smart-Diode-Betrieb wird als »Diode Emulation Mode« (DEM) bezeichnet und schaltet den SyncFET ab, sobald die Schaltung feststellt, dass der Spulenstrom in die falsche Richtung zu fließen beginnt. Diese Schaltung überwacht die Spannung über dem RDS(on) des Low-Side-SyncFETs und schaltet diesen ab, wenn unerwünschte Bedingungen auftreten.
Beispielsweise bietet der Hochvolt-Buck-Schaltregler »ISL8117« (UIN 60 V bis 4,5 V, UOUT 54 V bis 0,6 V, Schaltfrequenz 100 kHz bis 2 MHz) eine Betriebsart-Option, in der die DEM-Schaltung aktiviert werden kann, um den Wirkungsgrad bei niedriger Last zu verbessern. Sobald diese aktiviert ist, untersucht die DEM-Schaltung die Spannung über dem SyncFET. Sie schaltet den DEM frei, wenn sie feststellt, dass der Spulestrom über acht aufeinanderfolgende PWM-Zyklen hinweg negativ wird, während der LGATE-Pin auf High-Potenzial liegt (der SyncFET ist durchgeschaltet). Die Erfassung über acht Zyklen unterbindet Störungen durch die Aktivierung des DEM, wenn der ISL8117 in den DEM-Modus übergeht. Gleichzeitig nimmt auch die Schaltfrequenz des Controllers ab. Beide Aktionen steigern den Wirkungsgrad, indem sie keinen negativen Stromfluss zulassen und unnötige Schaltverluste des Gate-Treibers reduzieren. Das Ausmaß der Frequenzreduzierung ist proportional der Reduktion des Laststroms.
Bild 6 zeigt den reduzierten Eingangsstrom für die Buck-Reglerschaltung des ISL8117, wenn der DEM aktiviert ist. Die Daten für Bild 6 wurden mithilfe des ISL8117-Evalution-Boards gewonnen, und zwar mit UIN bei 48 V und UOUT bei 12 V, konfiguriert zur Unterstützung einer Volllast von 20 A.
Über den Autor:
Jerome Johnston ist Applikationsingenieur im Central Applications Team bei Intersil.
| 60-V-Controller für enge On-Time-Abwärtswandlung |
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Intersils Buck-Controller »ISL8117« setzt eine Regelung im Talstrommodus (Valley Current Mode, VCM) mit Low-Side-MOSFET und adaptiver Flankenkompensation ein. Sein Rampensignal passt sich der angelegten Eingangsspannung an und vereinfacht dadurch die Netzausregelung. Eine besondere Implementierung des Talstrommodus sowie die optimierte Flankenkompensation überwindet die Nachteile herkömmliches VCM-Controller. Mithilfe seiner besonderen Regelungstechnik kann er ein sehr breites Spektrum von Ein- und Ausgangsspannungen unterstützen. Im Wesentlichen handelt es sich um eine Hybridlösung zwischen Spannungs- und Stromregelung (CCM und VCM), welche die Vorteile beider Betriebsarten aufweist. Der ISL8117 kann mit jeder Spannung zwischen 4,5 V und 60 V gespeist werden, und sein Ausgang ist zwischen 0,6 V und 54 V einstellbar. Er ist durch einen einstellbaren Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 2000 kHz gekennzeichnet und bietet eine Mindesteinschaltzeit von 40 ns (typisch). Damit ist der Regler in der Lage, einen 1-V-Ausgang von einem 12-V-Bus bei 1,5 MHz zu erzeugen. Darüber hinaus ist er in der Lage, eine 1-V-Versorgung aus einer 48-V-Quelle bei geringerer Frequenz zu generieren. In Systemen, die gegenüber einem bestimmten Schaltfrequenzrauschen empfindlich sind, lässt sich der ISL8117 mit jeder beliebigen externen Frequenzquelle synchronisieren, um auf diese Weise abgestrahlte Systemstörungen zu reduzieren und die Minderung der Frequenzrauschens zu übertreffen. Mit diesem synchronen Buck-Schaltregler können Ingenieure eine komplette DC/DC-Abwärtswandlerlösung mit lediglich zehn Bauelementen entwickeln, darunter MOSFETs und Passive, sowie einen Wandlungswirkungsgrad von bis zu 98% mit einer Ausgangsspannungsgenauigkeit von 1,5% erzielen. |
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