Grundlagen des Gleichspannungswandler-Designs

(Bild: K-Pix-Mining - stock.adobe.com)

Die meisten elektronischen Systemen kommen nicht ohne irgendeine Art von Gleichspannungswandlung aus. Dabei empfehlen sich getaktete Wandler als effiziente Lösungen, mit denen sich die Spannung sowohl herab- als auch heraufsetzen lässt. Außerdem ist mit ihnen eine galvanische Isolation möglich, und die magnetischen Bauteile sind klein.

Wird keine galvanische Isolation benötigt, kommen Hochsteller (Boost Converters) und Tiefsetzsteller (Buck Converters) oder entsprechende Varianten zum Einsatz.

Tiefsetzsteller oder Abwärtswandler

Der Tiefsetzsteller oder Abwärtswandler (links in Bild 1) „zerhackt“ die eingangsseitige Gleichspannung mit hoher Frequenz so, dass ihr Durchschnittswert niedriger ist.

Bild 1: Wird keine galvanische Isolation benötigt, kommen Abwärtswandler (links) und Aufwärtswandler (rechts) zum Einsatz.
Bild 1: Wird keine galvanische Isolation benötigt, kommen Abwärtswandler (links) und Aufwärtswandler (rechts) zum Einsatz. (Bild: Murata)

Anschließend wird die resultierende wellige Gleichspannung mit einem LC-Filter geglättet.

Der zum Zerhacken verwendete Transistor wechselt ständig zwischen dem vollständig gesperrten und dem vollständig eingeschalteten Zustand hin und her, sodass in ihm nur wenig Verlustleistung abfällt. Die Höhe der Ausgangsspannung wird durch das Tastverhältnis des Transistors variiert.

Hochsetzsteller oder Aufwärtswandler

Beim Hochsetzsteller oder auch Aufwärtswandler (rechts in Bild 1) wird durch die Taktung abwechselnd Energie im Magnetfeld der Spule gespeichert und wieder abgegeben. Die Abgabe der Energie kann mit jeder gewünschten Spannung erfolgen, auch wenn diese über der Eingangsspannung liegt. Bild 2 zeigt einen Abwärtswandler der Serie 78SR von Murata.

Bild 2: Abwärtswandler der Serie 78SR ist für einen Laststrom von 0,5 A ausgelegt.
Bild 2: Abwärtswandler der Serie 78SR ist für einen Laststrom von 0,5 A ausgelegt. (Bild: Murata)

Aus einer Eingangsspannung zwischen 7,5 V und 36 V erzeugt das Modul eine Ausgangsspannung von 3,3 V bei 0,5 A. Bei Volllast und 12 V Eingangsspannung kommt es auf einen Wirkungsgrad von 83 Prozent, was einer Verlustleistung von etwa 0,7 W entspricht.

Für einen höheren Wirkungsgrad lässt sich mit diesem zur Durchsteckmontage ausgelegten Bauteil ein vorhandener Linearregler ersetzen.

Mehr Leistung und optimaler Wirkungsgrad

Leistungsfähiger sind oberflächenmontierbare PoL-Gleichspannungswandlermodule (Point of Load) im LGA-Gehäuse (Land Grid Array).

Wird mehr Leistung verlangt, verteilen mehrphasige Abwärtswandler die Belastung auf mehrere Schalter und Spulen, die in zwei oder mehr Phasen mit gemeinsamen Eingangs- und Ausgangskondensatoren angesteuert werden.

Für einen möglichst optimalen Wirkungsgrad nutzten Entwickler bei Abwärtswandlern zusätzlich die Synchrongleichrichtung. Hierbei ersetzt ein MOSFET mit niedrigem Einschaltwiderstand die Gleichrichterdiode mit ihrem festgelegten Spannungsabfall.

Weitere Schaltungsanordnungen

Schaltungsanordnungen wie etwa der einfache Hoch-/Tiefsetzsteller oder der Ćuk-Wandler kehren die Polarität der Spannung um, während SEPIC-, ZETA- und andere Bauformen positive Ausgangsspannungen generieren, die sowohl niedriger als auch höher als die Eingangsspannung sein können.

Keine galvanische Trennung

Einfache Aufwärts- und Abwärtswandler ermöglichen keine galvanische Trennung, denn ihre ein- und ausgangsseitigen Massen sind miteinander verbunden. Nicht selten muss diese Verbindung aber unterbrochen werden, damit sich der Ausgang auf gleitendem Potenzial befindet. Die Gründe können unterschiedlich sein. Möglicherweise liegt der Eingang an einer unsicheren Spannung, das Zirkulieren von Masseströmen ist verhindert oder der Ausgang soll als negative Spannung genutzt werden, indem der Pluspol als Masse dient.

Galvanisch getrennte Topologien

Die entsprechenden isolierten Topologien von Abwärts- und Aufwärtswandlern sind der Durchfluss- und der Sperrwandler (Bild 3).

Bild 3: Prinzip-Schaltungen von Sperrwandler (links) und Durchflusswandler (rechts)
Bild 3: Die entsprechenden isolierten Topologien von Abwärts- und Aufwärtswandlern sind der Sperrwandler (links) und der Durchflusswandler (rechts). (Bild: Murata)

Bei diesen wird die Spule jeweils in einen Übertrager verwandelt, sodass das Abgreifen der ausgangsseitigen Gleichspannung von einer galvanisch getrennten Wicklung möglich ist. Hier muss bei beiden Schaltungen die unterschiedliche Phasenlage der Überträgerwicklungen beachtet werden.

Bei isolierten Gleichspannungswandlern gestaltet sich die vollständige Regelung schwieriger, da es notwendig ist, die Ausgangsspannung abzutasten und ein Fehlersignal über die Isolationsbarriere hinweg an die Primärseite zu schicken, damit das Tastverhältnis entsprechend geregelt werden kann.

Mit getakteten Wandlern lässt sich die Spannung effektiv herab- und heraufsetzen. Wird keine galvanische Trennung benötigt, kommen Tief- und Hochsetzsteller zum Einsatz. Isolierte Topologien sind der Durchfluss- und der Sperrwandler. „Resonante“ Wandler schalten saft, d. h. sie ändern ihren Zustand in dem Moment, in dem der Strom oder die Spannung null ist. Unter den resonanten Topologien bevorzugen Entwickler im unteren bis mittleren Leistungsbereich den LLC-Wandler. Bei hoher Leistung bietet sich eine phasenversetzt arbeitende Vollbrücken-Topologie an. Schaltkondensator-Gleichspannungswandler kommen ohne induktive Bauelemente aus. „Buck-Boost-Wandler“ stellen eine Kombination aus Aufwärts- und Abwärtswandler da.

Gelegentlich ist allerdings keine Regelung nötig, denn bei konstanter Eingangsspannung beeinflussen nur Laständerungen die Ausgangsspannung. Diese aber betragen möglicherweise nur wenige Prozent und sind oftmals hinnehmbar.

Zu den häufigsten Anwendungen für kleine isolierte Gleichspannungswandler gehört die Stromversorgung isolierter Datenschnittstellen, bei denen die Regelung unkritisch ist. Wenn die eingangsseitige Gleichspannung schwankt, kommt auch eine partielle Regelung in Frage. Gleichsam als Abbild der Ausgangsspannung wird hier die Spannung an einer Primärwicklung des Übertragers abgetastet. Ist jedoch größtmögliche Genauigkeit ausschlaggebend, wird die Ausgangsspannung direkt erfasst und das Fehlersignal (meist über einen Optokoppler) an die Primärseite weitergeleitet.

Abstands- und Isolierungsanforderungen

Ist die Isolation aus Sicherheitsgründen erforderlich, ergeben sich komplexe Abstands- und Isolierungsanforderungen. Luft- und Kriechstrecken und Abstände in festen Isolierwerkstoffen hängen vom geforderten Schutzgrad (z. B. Basis-, Doppel- oder verstärkte Isolation) ebenso ab wie vom Verschmutzungsgrad der Umgebung, der Überspannungs-Kategorie des Eingangs und sogar der Höhe über dem Meeresspiegel.

Welche Norm jeweils anzuwenden ist, hängt von der Anwendung ab – so verlangen Medizingeräte mit Patientenkontakt größere Abstände als industrielle Anwendungen.

Isolationsklasse

Unklarheiten können bezüglich der angegebenen Isolationsklasse bestehen. Häufig wird Bauteilen bescheinigt, sie würden in der Produktion auf 3 kVDC getestet, was für die Isolierung von 230 VAC als ausreichend erscheint. Allerdings handelt es sich hier um eine nur einmalig angelegte Prüfspannung ohne die Garantie, dass das Bauteil dauerhaft einer hohen Spannung widersteht. Anwender sollten deshalb darauf achten, dass eine Zertifizierung durch eine entsprechende Stelle vorliegt und dass neben der Isolationsklasse auch die zugrunde gelegte „Systemspannung“ angegeben ist. Bei einem Gleichspannungswandler, der eine an das 230-V-Wechselstromnetz angeschlossene Schaltung von solchen Verbindungen, die Anwender im Heim- oder Bürobereich berühren, isolieren soll, kann beispielsweise gemäß der einschlägigen europäischen Sicherheitsnorm EN 62368-1 die Angabe „verstärkte Isolation, 250 VAC, maximale Einsatzhöhe 5.000 m“ tragen.

In Bild 4 ist ein ungeregelter, von der Abwärtswandler-Topologie abgeleiteter und nach dem Push-Pull-Prinzip arbeitender Gleichspannungswandler der NXJ-Serie dargestellt, der 5 V in 5 V umwandelt und die nötige Zertfizierung für die Isolationen in medizinischen Anwendungen hat.

Bild 4: Der oberflächenmontierbare Gleichspannungswandler der NXJ-Serie arbeitet nach dem Push-Pull-Prinzip.
Bild 4: Der oberflächenmontierbare Gleichspannungswandler der NXJ-Serie arbeitet nach dem Push-Pull-Prinzip. (Bild: Murata)

Das Produkt weist eine spezielle Methode zur Einbettung des Übertragerkerns in den Lagenaufbau der Leiterplatte auf, wobei die Wicklungen durch Leiterbahnen und Vias über mehrere Lagen gebildet werden.

Resonanzwandler sind effizient

Im Hinblick auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad wird oftmals auf „resonante“ Durchflusswandler zurückgegriffen, die sanft schalten, also ihren Zustand in dem Moment ändern, in dem der Strom oder die Spannung null ist. So vermeiden sie die kurzzeitige Verlustleistungs-Spitze beim Zusammenfallen von hohen Spannungs- und Stromwerten.

LLC-Wandler

Unter den resonanten Topologien bevorzugen Entwickler im unteren bis mittleren Leistungsbereich derzeit den LLC-Wandler. Dieser leitet Impulse in einen LC-Schwingkreis (meist knapp oberhalb seiner Resonanzfrequenz), und diese Impulse werden durch die Übertragerwirkung anschließend in Form von Sinuswellen an eine sekundäre Lastwicklung der Schwingkreis-Induktivität weitergegeben. Die Regelung erfolgt durch Variieren der Impulsfrequenz, indem mehr oder weniger Energie durch den Übertrager fließt (die induktive Impedanz der LC-Schaltung steigt oberhalb der Resonanzfrequenz mit zunehmender Frequenz an).

Vollbrücken-Topologie

Bei hoher Leistung erreicht die Belastung der LLC-Schalttransistoren ein übermäßig hohes Niveau, weshalb sich stattdessen eine phasenversetzt arbeitende Vollbrücken-Topologie anbietet. Hierbei handelt es sich um eine Resonanzschaltung mit vier Schaltern in einer Brücken-Konfiguration, die jedoch mit konstanter Frequenz arbeitet. Geregelt wird hier durch Ändern der relativen Phasenlage der Treibersignale für die einzelnen Zweige der Brückenschaltung. Anwendung findet diese Technik in Zwischenkreis-Wandlern (Intermediate Bus Converters).

Schaltkondensator-Gleichspannungswandler kommen ohne induktive Bauelemente aus

Es ist nicht unbedingt erforderlich, nicht-isolierte Gleichspannungswandler mit einer Spule oder einem Übertrager zu implementieren. Schaltkondensator-Lösungen laden Kondensatoren in Serien- oder Parallelschaltung und schalten diese anschließend parallel beziehungsweise in Reihe, um Spannungen in ganzzahligen Vielfachen herab- oder heraufzusetzen. War der erzielbare Wirkungsgrad in der Vergangenheit durch die Spannungsabfälle in den Schaltern und Dioden begrenzt, sind mit aktuellen MOSFETs und per Synchrongleichrichtung inzwischen 96 Prozent und mehr (bei 72 W Leistung) erreichbar. Es erfolgt üblicherweise keine Regelung, und das Hoch- oder Tiefsetzen der Spannung geschieht mit einem festen Verhältnis von 3 oder 4. Durch Wegfall der Induktivität eignet sich diese Technik für aktuelle Fertigungsverfahren und flache Produkte.

„Buck-Boost-Wandler“

Nicht-isolierte Gleichspannungswandler geringerer Leistung kommen in alltäglichen elektronischen Geräten wie etwa Mobiltelefonen zum Einsatz, in denen es auf eine lange Akkulaufzeit ankommt, weshalb in sämtlichen Leistungswandler-Stufen ein hoher Wirkungsgrad angestrebt wird. Wandler, die eine geregelte Ausgangsspannung erzeugen können, sind von besonderem Nutzen, wenn die Akkuspannung mit zunehmender Entladung zurückgeht. Solche Wandler werden als „Buck-Boost-Wandler“ bezeichnet, obwohl diese streng genommen eine negative Ausgangsspannung erzeugen, die nicht immer sinnvoll ist. Der SEPIC-Wandler (Bild 5) ist eine Lösung zum Erzeugen einer positiven Spannung, wenn die Eingangsspannung sowohl größer als auch kleiner als die Ausgangsspannung sein kann.

Bild 5: Bei SEPIC-Wandlern kann die Eingangsspannung größer oder kleiner als die Ausgangsspannung sein .
Bild 5: Bei SEPIC-Wandlern kann die Eingangsspannung größer oder kleiner als die Ausgangsspannung sein . (Bild: Murata)

Der Transistor Q1 arbeitet als Synchrongleichrichter, und L1 und L2 können entweder als separate Spulen implementiert oder auf einen gemeinsamen Kern gewickelt werden.

Wandler mit besonders großem DC-Eingangsspannungsbereich

Gleichspannungswandler, die sich für einen weiten Bereich von Batteriespannungen eignen, können zur Vereinfachung von Anwendungen dienen, bei denen nicht sicher ist, welche Batteriespannung verwendet wird. In Schienenfahrzeugen kann die Batteriespannung zwischen 24 V und 110 V betragen – abhängig von der Region und vom Hersteller der Lokomotive. Mit ihrem Eingangsspannungsbereich von 16 V bis 160 V sollen die Produkte IRH250 und IRQ150 dieser Herausforderung gerecht werden.

Automotive-Anwendungen stellen extreme Anforderungen

Kleine Gleichspannungswandler in Automobil-Anwendungen können bezüglich der Umgebungsbedingungen und der elektrischen Belastungen widrigen Umständen ausgesetzt sein. Die Prüfanforderungen für die AEC-Q-Qualifikation der Automobilindustrie sind auf Leistungswandler allgemein nicht anwendbar, sodass diese als „Mehrchip-Module“ von der Norm AEC-Q104 abgedeckt werden. Der Hersteller des Bausteins muss außerdem für sein Qualitätsmanagement die Zertifizierung gemäß der Norm TS 16949 vorweisen können, die den vertrauten ISO 9001 übersteigt. Ein Beispiel für ein AEC-Q104-qualifiziertes Bauteil ist die NXJ-Serie (Bild 4). (bs)

Ann-Marie Bayliss

Senior Product Marketing Manager bei Murata

John Quinlan

Strategic Technical Marketing Manager bei Murata

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