Synchroner oder nichtsynchroner DC-DC-Wandler, das ist hier die Frage

Jedes Hardwaresystem benötigt eine Stromversorgung. Meist stellt diese eine höhere Spannung bereit, als die Anwendung tatsächlich verlangt, also ist eine Schaltung gesucht, die die Spannung wandelt. Doch die Wahl ist nicht einfach: die verschiedenen Topologien für DC-DC-Wandler haben sehr unterschiedliche Eigenschaften.

Optionen für die Stromversorgung

Angenommen, das Netzteil liefert eine Gleichspannung von 9 V, das Gerät benötigt aber eine Betriebsspannung von 5 V. Für das Herabsetzen der Spannung bieten sich im Wesentlichen drei Optionen an: Im einfachsten Fall genügt ein Spannungsteiler mit einer rudimentären Regelung beispielsweise mithilfe einer Z-Diode. Mit der Z-Diode und dem zugehörigen Strombegrenzungswiderstand lassen sich die 9 V tatsächlich auf 5 V reduzieren. Dabei fallen die überschüssigen 4 V allerdings am Strombegrenzungswiderstand der Z-Diode ab, was Wärme erzeugt und Energie vergeudet.

Die zweite Option ist ein 5-V-Linearregler oder LDO (Low Drop-Out). Auch dieser wandelt die anstehenden 9 V in eine Ausgangsspannung von 5 V – jedoch fallen die 4 V in diesem Fall am LDO-Regler ab. Bei einer Stromaufnahme der Applikation von 1 A entsteht im LDO somit eine Verlustleistung von 4 W, die der Wandler in Form von Wärme abgibt.

Als dritte Möglichkeit gibt es den Gleichspannungswandler oder DC-DC-Wandler. Dieser taktet die Induktivität und den Kondensator am Ausgang im PWM-Verfahren (Pulsbreiten-Modulation). Sobald die Ausgangsspannung den Sollwert von 5 V erreicht, reduziert der Wandler das Tastverhältnis des PWM-Signals auf beinahe null. Der Schaltregler nimmt nur sehr wenig Strom auf, sodass die Verlustleistung ebenfalls sehr gering ausfällt. Dies ist somit eindeutig die effizienteste Designoption.

Spannungsquelle

Als Eingangsspannung für einen DC-DC-Wandler kommen im Prinzip beliebige Werte in Frage. Üblich sind jedoch 6 V, 9 V, 12 V, 24 V und 48 V Gleichspannung. Das Stromnetz arbeitet jedoch mit 230 V_AC: Leistungstransformatoren transformieren die Netzspannung daher zunächst auf eine gängige Spannung, die das Netzteil anschließend gleichrichtet, filtert und regelt, um die gewünschte Gleichspannung für den jeweiligen kommerziellen oder industriellen Einsatzzweck bereitzustellen. Zum Beispiel beruht das Telefonsystem auf einer Spannung von 48 V, weil dies die Spannung des verwendeten Batteriesystems ist, das bei einem Ausfall der Netzspannung umgehend die Versorgung übernimmt.

Bei portablen Geräten ist die Situation anders. Sie versorgen sich in der Regel aus Batterien, deren Spannung keine Gleichrichtung erfordert. Eine Regelung ist aber durchaus nötig. Da die Batteriespannung im Laufe der Zeit abnimmt, muss eine Schaltung diese zunächst hochsetzen und anschließend regeln. Wenn ein System also 3,3 V benötigt, muss diese Spannung auch dann bereitstehen, wenn die Batteriespannung zurückgeht.

Einfach ist manchmal zu einfach

Beim Design der Stromversorgung ist es verlockend, auf scheinbar kostengünstige Lösungen wie einen einfachen Spannungsteiler oder die erwähnte Z-Dioden-Schaltung zu setzen. Allerdings beziehen sich die niedrigen Kosten nur auf die Kosten zur Beschaffung der Bauelemente. Diese Einfachlösungen bringen aber verborgene Zusatzkosten infolge der höheren Verluste mit sich, die außerdem eine große Wärmeentwicklung verursachen und deshalb die Lebensdauer der elektronischen Bauelemente im System reduzieren. Ein LDO-Regler punktet zwar mit einer sehr rauscharmen Ausgangsspannung, hat aber eine hohe Verlustleistung, ein hohe Dropout-Spannung und er reduziert die Batterielebensdauer.

Heutzutage setzen Entwickler vor allem auf DC-DC-Wandler, um in Sachen Effizienz, Wärmeentwicklung, Genauigkeit, Lastsprungverhalten und Kosten das Optimum herauszuholen. Dies klingt zunächst ganz einfach, aber der Weg zum optimalen DC-DC-Stromversorgungssystem gleicht einem Minenfeld. Die Betriebstemperatur des Wandlers setzt seiner maximalen Ausgangsleistung Grenzen, aber die Betriebstemperaturen werden wegen der ständig kleiner werdenden industriellen Geräte immer höher. In den meisten Geräten gibt es außerdem keine oder nur eine eingeschränkte Zwangsbelüftung. Also müssen Entwickler ihre DC-DC-Wandlerdesigns klug gestalten.

Bild 1: Eine nichtsynchrone DC-DC-Wandlertopologie (oben) nutzt eine externe Schottkydiode zum Regeln der Spannung, die synchrone Topologie (unten) hingegen einen integrierten MOSFET.Maxim

Designoptionen für Gleichspannungswandler

Die erste wesentliche Entscheidung ist zwischen synchronen und nichtsynchronen Gleichspannungswandler-Topologien zu treffen. Beide haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Die nichtsynchrone Topologie ist das ältere Design, bei dem Verluste an der externen Schottkydiode entstehen. Diese Verluste mindern die Effizienz des Wandlers. Daher empfiehlt sich eine synchrone Topologie, die sich durch hohe Effizienz auszeichnet und dank des integrierten MOSFET besser in ein kompaktes Format passt. Den grundlegenden Unterschied illustriert Bild 1, es verdeutlicht die strukturellen Unterschiede zwischen einem nichtsynchronen Wandler und einer höher integrierten synchronen Lösung.

In den letzten Jahren sind die Anbieter analoger ICs mit synchronen DC-DC-Wandlern auf den Markt gekommen, um die Effizienzeinbußen nichtsynchroner Designs mit ihren externen Schottkydioden wettzumachen. Die Verlustleistung des Low-Side-MOSFET stammt primär vom Einschaltwiderstand R_ON, während die an der Diode abfallende Flussspannung V_D über die Verluste in der Schottkydiode entscheidet. Wenn der Strom in beiden Designs gleich ist, ist der Spannungsabfall am MOSFET in der Regel geringer als der an der Diode. Die Verlustleistung an der Diode der nichtsynchronen Lösung beträgt:

• P_D = V_D · I_OUT · (1 – V_OUT/V_IN)

Dagegen berechnet sich die Verlustleistung am MOSFET der synchronen Lösung wie folgt:

• P_FET = R_ON · I²_OUT · (1 – V_OUT/V_IN)

Gelegentlich wird die Ansicht vertreten, nichtsynchrone Abwärtswandler seien bei geringen Lasten und hohen Tastverhältnissen effizienter [2], und tatsächlich hat es den Anschein, als gäbe es keine Wandlertopologie, die von niedrigen bis hohen Lastströmen den optimalen Wirkungsgrad bietet.

Bild 2: Stromfluss in synchronen und nichtsynchronen Wandlern. Bei der synchronen Topologie verschiebt sich die Kurve bei kleiner Last so weit nach unten, dass der Spulenstrom negativ wird. Nichtsynchrone Topologien verhindern das.Maxim

Der Effizienz auf der Spur

Diese Zwickmühlensituation lässt sich auflösen, wenn man untersucht, wie sich der hohe Wirkungsgrad nichtsynchroner Wandler bei geringer Last in erster Linie erklärt. Der Drosselstrom I_L fließt bei nichtsynchronen Wandlern stets in eine Richtung und nimmt niemals ein negatives Vorzeichen an: sobald er unter 0 A fallen würde, sperrt die Schottkydiode und verhindert negative Ströme (Bild 2). Bei synchronen Wandlern dagegen könnte der Strom das Vorzeichen wechseln, wenn die Last gering wird.

Um das Problem des bidirektionalen Stromflusses in synchronen Wandlern zu lösen, haben deren Hersteller verschiedene Betriebsarten eingeführt, die bei geringer Last für ein pseudo-nichtsynchrones Verhalten sorgen. Heutige DC-DC-Wandler unterstützen drei Betriebsarten (Bild 3):

Bild 3: Verschiedene Betriebsarten der DC-DC-Wandler der Himalaya-Reihe von Maxim Integrated.Maxim

• PWM und nicht-lückender Betrieb (Continuous Current Mode, CCM): Der Wandler arbeitet hier mit konstanter Schaltfrequenz und I_L könnte ein negatives Vorzeichen annehmen. Diese Betriebsart ermöglicht dem Wandler eine schnelle Reaktion auf Lastsprünge sogar bis auf null herab und minimiert die Welligkeit der Ausgangsspannung. Ungeachtet dessen ist die Kombination aus PWM und nicht-lückendem Betrieb bei niedrigen Lastströmen weniger effizient.
• PWM und lückender Betrieb (Discontinuous Current Mode, DCM): Diese Variante arbeitet ebenfalls mit konstanter Schaltfrequenz, aber der Wirkungsgrad bei niedrigen Lasten ist höher, weil I_L kein negatives Vorzeichen annimmt. Da es negative Drosselströme vermeidet, hat dieses Verfahren Ähnlichkeit mit nichtsynchronen Lösungen.
• PFM (Pulsfrequenzmodulation) mit Hibernate-Modus: Diese Methode verbessert die Effizienz, da I_L nicht negativ werden kann und beide FETs abgeschaltet werden, um bei geringer Last Impulse zu überspringen. Während des Pulse-Skipping wechselt der Wandler in einen Hibernate-Modus (Tiefschlaf), in dem er nicht benötigte interne Schaltungen deaktiviert, um Strom zu sparen. Diese Betriebsart ergibt die bestmögliche Effizienz und bringt es bei geringer Last auf den höchsten Wirkungsgrad. Man erkauft diesen Vorteil durch eine geringfügig höhere Welligkeit der Ausgangsspannung.

Bei niedrigen Lasten wird es schwierig

Im Bereich von mittleren Lastströmen bis Volllast arbeiten alle Betriebsarten gleich. Die Unterschiede kommen zum Tragen, sobald der Laststrom auf weniger als die Hälfte der Welligkeit des Drosselstroms sinkt. Hier stellt sich die Frage, ob sich das System die meiste Zeit im Standby-Status befinden soll und ob eine längere Batterielebensdauer entscheidend ist. In diesem Fall ist der PFM-Modus zu wählen, der den höchsten Wirkungsgrad bei niedriger Last aufweist. Allerdings gibt es bei der PFM-Betriebsart einen Fallstrick: man muss sich vergewissern, dass die höhere Welligkeit des Ausgangsstroms und die langsamere Reaktion auf Lastsprünge keine negativen Auswirkungen auf die System-Performance im Standby-Status haben.

Wenn das Lastsprungverhalten bei geringer Last in einer Applikation die höchste Priorität hat, dann ist die Kombination aus PWM und nicht-lückendem Betrieb die beste Wahl, denn diese Betriebsart erzielt bis zu einem Laststrom von null herab das beste Lastsprungverhalten. Die Kombination aus PWM und lückendem Betrieb schließlich bietet einen sinnvollen Kompromiss zwischen den beiden anderen Betriebsarten.

Abschließende Überlegungen

Die technische Entwicklung geht weiter. Indem sie die externe Schottkdiode durch einen effizienten integrierten MOSFET ersetzen und gleichzeitig mehrere Betriebsarten ermöglichen, bringen es heutige synchrone Lösungen in den meisten kompakten Designs auf einen herausragenden Wirkungsgrad. Entwickler sollten also auf die neueste synchrone Technik setzen, wenn sie die Verlustleistungseigenschaften eines Designs verbessern möchten. Die neuen Lösungen sind einfacher, besser und entwickeln außerdem weniger Wärme.

(lei)