Powermanagement-ICs

Mit Multi-Level-Wandlern schneller und effizienter laden

15. September 2021, 10:30 Uhr | Jeff Falin und Alvaro Aguilar, Texas Instruments

Jedes portable Gerät benötigt eine Ladeschaltung. Diese muss zum einen schnell laden können, zum anderen aber auch wenig Verlustwärme erzeugen. Ein 3-Level-Abwärtswandler ist da eine Alternative zum traditionellen 2-Level-Abwärtswandler.

Beim Design portabler elektronischer Produkte müssen die Entwickler auch eine platzsparende und hocheffiziente Ladeschaltung implementieren, die dank hoher Leistung die Ladezeiten minimiert und gleichzeitig nur wenig Wärme entwickelt. Hierfür bietet sich eine 3-Level-Wandlerlösung an, die mithilfe zusätzlicher kapazitiver Speicherelemente und Leistungsschalter eine höhere effektive Schaltfrequenz unterstützt und eine niedrigere Spannung an der Induktivität erzeugt, die somit kleiner ausfallen kann. Gegenüber traditionellen synchronen Abwärtswandlern verbessert dies den Systemwirkungsgrad, verbunden mit geringeren Verlusten, weniger Wärmeentwicklung und einem reduzierten Platzbedarf.

Die traditionelle Topologie

Traditionelle Abwärts- oder auch Buck-Wandler bestehen aus zwei MOSFETs, einer Induktivität, einem parallel zur Eingangsquelle liegenden Kondensator und einem Ausgangskondensator (Bild 1).

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Die komplementären Gate-Ansteuersignale haben ein Tastverhältnis von D bzw. 1 – D. Der Knoten zwischen den beiden Schaltern (V_SW) wechselt zwischen V_IN und Masse – daher die Bezeichnung 2-Level-Wandler. Ist Q₁ ein- und Q₂ ausgeschaltet, lädt sich die Induktivität auf, wobei ein Strom zum Ausgang fließt. Ist umgekehrt Q₁ aus- und Q₂ eingeschaltet, entlädt sich die Induktivität, wobei weiterhin ein Strom Richtung Ausgang fließt. Das Resultat ist eine Rechteckwelle mit konstantem Tastverhältnis, die – gefiltert durch die Induktivität und den Ausgangskondensator – eine Ausgangsspannung V_OUT erzeugt.

Geht man von idealen MOSFETs und einem nichtlückenden, d. h. niemals auf null absinkenden Spulenstrom aus, so beträgt das Tastverhältnis D im statischen Fall V_OUT/V_IN. Welche Induktivität die Spule haben muss, richtet sich nach der Schaltfrequenz. Die Halbleiterprozesse und die Spulentechnologie begrenzen diese auf maximal 1 MHz bis 2 MHz, denn oberhalb davon dominieren die Schaltverluste in den Transistoren und die Wechselstromverlust zweiter Ordnung in der Spule die Gesamtverluste des Wandlers. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Wärmeentwicklung zu reduzieren, überdimensioniert man meist die Induktivität ein bisschen, um ihren Gleichstromwiderstand zu senken.

Funktionsprinzip eines 3-Level-Wandlers

Im Schaltbild des 3-Level-Wandlers (Bild 2) erkennt man den zusätzlichen »fliegenden« Kondensator (C_FLY) und die beiden weiteren MOSFETs Q₃ und Q₄. Während Q₁ und Q₂wie bei der herkömmlichen Topologie mit einem komplementären Signal angesteuert werden, erfolgt die Ansteuerung der beiden inneren Schalter Q₃ und Q₄ mit einem zweiten komplementären Signal, dessen Phasenlage gegenüber dem Signal für die äußeren MOSFETs um 180° versetzt ist. Indem man C_FLY auf V_IN/2 hält, wechselt der Schaltknoten V_SW zwischen den drei Spannungsstufen V_IN, V_IN/2 und Masse – daher die Bezeichnung 3-Level-Wandler.

Bild 3 veranschaulicht auch, wie ein kompletter Schaltzyklus bei einem Tastverhältnis von unter 0,5 abläuft, wenn die Eingangsspannung also mehr als das Doppelte der Ausgangsspannung beträgt. Bild 4 dagegen gibt den vollständigen Schaltzyklus wieder, wenn das Tastverhältnis größer als 0,5 ist. Beträgt das Tastverhältnis genau 0,5 (50 %), so sind Q₁ und Q₄ in der einen Hälfte der Periode eingeschaltet, Q₃ und Q₂ dagegen in der anderen Hälfte. V_SW bleibt deshalb auf einer Spannung von V_IN/2, die per Definition gleich V_OUT ist. Da an der Induktivität somit keine Spannung liegt, ist der AC-Anteil des Stroms gleich null. Wegen der um 180° phasenversetzten Ansteuerung der MOSFETs ist die Schaltfrequenz f_{SW_3L} am Knoten V_SW doppelt so hoch wie bei einem vergleichbaren 2-Level-Wandler (f_{SW_2L}). Da aber jeder MOSFET während der 2-Level-Periode nur einmal einschaltet, ist T_{SW_2L} doppelt so lang wie T_{SW_3L}.