Bild 1: Der LM25017 im Buck-Converter-Modul (links) ist pinkompatibler Ersatz für Linearregler im TO220-Gehäuse (rechts) und deutlich effizienter.

Bild 1: Der LM25017 im Buck-Converter-Modul (links) ist pinkompatibler Ersatz für Linearregler im TO220-Gehäuse (rechts) und deutlich effizienter. Texas Instruments

Linearregler sind in allen denkbaren Anwendungen sehr verbreitet. Wenn geringe Ströme benötigt werden und der Wirkungsgrad von sekundärer Bedeutung ist, sind sie nach wie vor die erste Wahl. Auch hinsichtlich der Kosten können Linearregler eine gute Alternative sein, wenn die Gesamtkosten der Lösung einschließlich des Kühlkörpers mit denen einer geschalteten Lösung konkurrieren können. Sobald aber der Leistungsbedarf eines bestehenden Boards zunimmt, kann selbst ein Linearregler im TO220-Gehäuse an seine Grenzen stoßen. Die sehr verbreiteten Bausteine der Typen uA78xx und LM317 sind beispielsweise für einen Ausgangsstrom von 1,5 A ausgelegt. Dieser Nennstrom ist aber eher theoretischer Natur, da der verwendete Gehäusetyp bei dieser Verlustleistung bereits an seine Grenzen stößt, wie weiter unten deutlich gemacht wird.

Der Artikel zeigt, wie ein synchroner Abwärtswandler (Buck Converter), der die gleichen Abmessungen wie ein TO220-Gehäuse hat und die identischen Anschlussanordnung besitzt, als Problemlösung in Frage kommt, wenn die Verlustleistung eines Linearreglers Probleme verursacht oder wenn der Leistungsbedarf zunimmt, aber kein Redesign der Leiterplatte möglich oder gewünscht ist.

Eckdaten

Mit Linearreglern lässt sich eine Spannungsstabilisierung kostengünstig umsetzten, aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades stoßen sie jedoch schnell an ihre Verlustleistungsgrenze. Ein Schaltreglermodul in der Größe eines TO220-Gehäuses ist auch bei höherem Leistungsbedarf deutlich effizienter, kann den Linearregler ohne ein Redesign der Leiterplatte pinkompatibel ersetzen und erspart eventuell den Kühlkörper.

Die Grenzen von Linearreglern

Bild 2: Wärmebild von zwei Spannungsreglern ohne Kühlkörper bei Ue = 12 V, Ua = 5 V und 200 mA Laststrom. Der Schaltregler LM25017 (rechts) erwärmt sich  deutlich weniger als der Linearregler uA7805 (links).

Bild 2: Wärmebild von zwei Spannungsreglern ohne Kühlkörper bei Ue = 12 V, Ua = 5 V und 200 mA Laststrom. Der Schaltregler LM25017 (rechts) erwärmt sich deutlich weniger als der Linearregler uA7805 (links). Texas Instruments

In einer typischen kleinen Industrie-Applikation erzeugt ein uA7805 eine Ausgangsspannung von 5,0 V aus einer Eingangsspannung von 12,0 V oder 24,0 V. Er versorgt damit einen Mikrocontroller, einige Anzeige-LEDs sowie digitale und analoge Schnittstellen. Der Strombedarf bewegt sich meist im zwei- bis dreistelligen Milliampere-Bereich. Mit diesen Eckdaten lassen sich die im Linearregler anfallenden Verluste für einen maximalen Ausgangsstrom von 200 mA einfach berechnen:

  • PVerlust = (UIn – UOut) · IOut = (12 V – 5 V) · 0,2 A = 1,4 W

In Bild 2 ist links ein Wärmebild des Linearreglers ohne Kühlkörper zu sehen. Die Verlustleistung von 1,4 W kann bei einer Umgebungstemperatur von 21 °C zu einer Erwärmung des Bausteins auf über 100 °C führen. Obwohl die Ausgangsleistung von 1 W recht gering ist, muss der Linearregler im TO220-Gehäuse mit einem Kühlkörper versehen werden, um die beträchtliche Verlustwärme abzuführen. Rechts sieht man zum Vergleich einen LM25017-basierten Buck-Wandler, der sich bei gleichen Gehäuseabmessungen wie der TO220-Baustein nur auf etwa 44 °C erwärmt – bei identischen Testbedingungen.

Für den nächsten Vergleich wurde der Linearregler ordnungsgemäß auf einen für Anwendungen dieser Art üblichen Kühlkörper (Aavid Thermalloy, 531102B02500G, 38,1 × 34,9 × 12,7 mm3) montiert. Der Wärmewiderstand betrug hier 10,4 K/W bei natürlicher Konvektion.

Bild 3: Wärmebild zweier Spannungsreglern mit Kühlkörper bei Ue = 12 V, Ua = 5 V und 400 mA Laststrom. Das LM25017-Schaltreglermodul (rechts) erwärmt sich deutlich weniger als der Linearregler uA7805 (links).

Bild 3: Wärmebild zweier Spannungsreglern mit Kühlkörper bei Ue = 12 V, Ua = 5 V und 400 mA Laststrom. Das LM25017-Schaltreglermodul (rechts) erwärmt sich deutlich weniger als der Linearregler uA7805 (links). Texas Instruments

Der Laststrom von 400 mA entspricht einer Ausgangsleistung von 2 W und einer Verlustleistung von 4,9 W. Die maximale Temperatur mit einem geeigneten Kühlkörper und natürlicher Konvektion beträgt hier rund 60 °C. Obwohl dieser Wert akzeptabel ist, muss darauf geachtet werden, dass die große Wärmemenge abgeführt werden kann. Die Verwendung dieser Lösung in einem kleinen geschlossenen Gehäuse ist in den meisten Fällen nicht möglich, da sich das Innere dieses Gehäuses durch die 4,9 W betragende Verlustleistung erheblich erwärmt.

Die rechts in Bild 3 dargestellte Lösung auf Basis des Buck-Wandlers LM25017 arbeitet bei diesem Betriebspunkt mit einem Wirkungsgrad von zirka 83 %, sodass hier nur 410 mW abgeführt werden müssen. Mit den Abmessungen eines TO220-Gehäuses wird hier ebenfalls nur eine Maximaltemperatur von ungefähr 60 °C erreicht.

Man setzt einen Linearregler in einem großen Gehäuse beispielsweise der Bauart TO220 also meist nicht wegen des benötigten hohen Ausgangsstroms ein, sondern um die anfallende Verlustwärme abführen zu können.

Pinkompatibles Schaltreglermodul im TO220-Gehäuse

Bild 4: Beschaltung des Buck-Wandlers LM25017.

Bild 4: Beschaltung des Buck-Wandlers LM25017. Texas Instruments

Ein direkter Ersatz für Linearregler dieser Art muss die folgenden Haupt-Anforderungen erfüllen:

  • Abmessungen und Anschlussanordnung müssen identisch sein
  • Die Regelung muss unabhängig von zusätzlichen Ein- und Ausgangskondensatoren sein
  • Der Eingangsspannungsbereich muss groß sein

Verfügbar ist eine Fläche von 10 x 15 mm2 bei einseitiger Bestückung. Um die Drossel klein zu halten, muss die Schaltfrequenz im oberen Bereich angesiedelt sein, auch wenn dies auf Kosten höherer Schaltverluste geht. Für eine pinkompatible Ersatzlösung ist es ferner notwendig, dass das Regelungsverfahren nicht von zusätzlichen Kapazitäten am Ausgang beeinflusst wird. Im Current-Mode oder Voltage-Mode betriebene Buck-Wandler aber ändern ihr Lastsprungverhalten, wenn die Ausgangskapazität erhöht oder verringert wird. Am besten für diese Anwendung geeignet ist deshalb ein Regelungsverfahren in der Art der Constant-On-Time-Regelung, das von zusätzlicher Ausgangskapazität unbeeinflusst bleibt. Der LM25017 mit seinem großen, bis 48 V reichenden Eingangsspannungsbereich erfüllt alle diese Anforderungen perfekt.

Der Schaltungsaufwand ist gering und es werden nur wenige externe Bauelemente benötigt. Dies ist wichtig, damit sich die Lösung auf dem wenigen verfügbaren Platz untebringen lässt.

Bild 5: Wirkungsgrad der LM25017-basierten Buck-Wandler-Schaltung.

Bild 5: Wirkungsgrad der LM25017-basierten Buck-Wandler-Schaltung. Texas Instruments

Dimensionierung der Schaltung

Zur Regelung der Ausgangsspannung benötigt der Wandler eine Spannungswelligkeit von mindestens 25 mV an seinem Feedback-Anschluss. Diese lässt sich generieren, indem man entweder einen Ausgangskondensator mit hohem ESR-Wert verwendet oder mithilfe des Schaltknotens und einer RC-Kombination (R2, C5) ein Sägezahnsignal erzeugt. Mit der zweiten Lösung ist die Ausgangswelligkeit deutlich geringer, da ein Keramik-Ausgangskondensator zum Einsatz kommen kann.

Der Widerstand R1 legt die Schaltfrequenz fest, die wegen des verwendeten Regelungsverfahrens nicht konstant ist, sondern sich abhängig von der Ein- und Ausgangsspannung zwischen 500 und 800 kHz bewegt. Für eine Ausgangsspannung von 5,0 V muss R1 80,6 kΩ und R4 30,1 kΩ betragen. Durch Ändern nur dieser beiden Widerstandswerte lässt sich die gleiche Schaltung auch für geringere Ausgangsspannungen verwenden. Wird beispielsweise eine Ausgangsspannung von 3,3 V gewünscht, muss R1 52,3 kΩ und R4 16,9 kΩ betragen.

Der synchrone Buck-Wandler ist für einen Eingangsspannungsbereich von 10 bis 30 VDC und einen Ausgangsspannungsbereich von 5,0 V oder 3,3 V bei 600 mA Laststrom ausgelegt. Der Wert von 600 mA entspricht dem maximalen Ausgangsstrom. Der zulässige Dauerstrom beträgt etwa 400 mA, wenn die Leiterplattentemperatur auf einem annehmbaren Niveau bleiben soll (Bild 3).

Bild 6: Sogar mit 30 V am Eingang regelt das Buck-Wandler-Modul bei Lastströmen bis 600 mA die 5 V am  Ausgang genauer als ±3 %.

Bild 6: Sogar mit 30 V am Eingang regelt das Buck-Wandler-Modul bei Lastströmen bis 600 mA die 5 V am Ausgang genauer als ±3 %. Texas Instruments

Die Wirkungsgradkurven in Bild 5 bescheinigen dieser Schaltung gute Resultate. Bei höheren Eingangsspannungen geht der Wirkungsgrad allerdings wegen der zunehmenden Schaltverluste zurück.

Wie schon erwähnt, erfordert die Constant-On-Time-Regelung eine Spannungswelligkeit am Feedback-Anschluss. Diese wird von der Stromwelligkeit der Drossel abgeleitet und hängt deshalb vom Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung ab. Hieraus wiederum ergibt sich ein Einfluss auf die Lastregelung, wie in Bild 6 gezeigt. Ungeachtet dessen liegt die Ausgangsspannung bei allen Betriebspunkten in einem Toleranzband von ±3 % um die nominelle Ausgangsspannung von 5,0 V.

Messungen der Ausgangsspannungs-Welligkeit ergaben einen Maximalwert von 40 mV (0,8 %). Die Änderung der Ausgangsspannung bei einem Lastsprung von 200 mA auf 400 mA und umgekehrt ist außerdem mit maximal 90 mV (1,8 %) bemerkenswert gering.

Ideal für industrielle Anwendungen kleiner Leistung

Der vorliegende Beitrag zeigt die praktischen Grenzen von Linearreglern im TO220-Gehäuse auf und beschreibt, wie sich diese Bausteine durch einen gleich großen, pinkompatiblen synchronen Buck-Wandler auf Basis des LM25017 ersetzen lassen. Die Lösung bietet einen großen Eingangsspannungsbereich von 10 V bis 30 V und eignet sich ideal für industrielle Anwendungen, in denen Versorgungsspannungen von 5,0 V und 3,3 V mit Strömen von wenigen hundert Milliampere benötigt werden. Sämtliche Informationen zu diesem Referenzdesign mit Schaltplan, Layout und Stückliste sind auf ti.com unter dem Stichwort PMP8581 verfügbar.