Eckdaten

Die Autoren präsentieren in ihrem Artikel praktische Designbetrachtungen, um Start-up-Probleme aufgrund von zu hohen Einschaltströmen am Ausgang zu vermeiden.

Die Nachfrage nach einem geringen Ausgangsrauschen hat die Entwickler von Schaltkonvertern gezwungen eine große Ausgangsfilterung zu implementieren, wie den Einsatz mehrerer Kondensatoren am Ausgang. Mit einer erhöhten Kapazität an der Ausgangsspannung können zu hohe Einschaltströme beim Start-up zum Problem werden, das zur Sättigung der Spule oder zur Zerstörung des Leistungsschalters führt.

Der Leistungsschalter eines monolithischen Schaltreglers ist im Gegensatz zu einem Schalt-Controller in den Chip integriert. Dies ist wegen des kleineren Platzbedarfs auf der Leiterplatte und einem verbesserten Design der Gate-Treiber-Schaltung eine ideale Methode für Point-of-Load-Applikationen (POL) des Schaltwandlers. Das heißt, ein Schutz vor Überstrom wird notwendig, um eine Zerstörung von Schalter und Regler-Chip zu verhindern. Der monolithische Hochleistungs-Schaltregler ADP5070 (Bild 1) von Analog Devices (ADI) mit zwei Ausgängen ist ein Beispiel dafür.

Um eine Beschädigung während einer Überlast am Ausgang oder beim Einschalten zu verhindern, wenn hohe Ströme durch den internen Schalter fließen, setzen Hersteller auf den monolithischen Schaltreglern verschiedene Techniken zur Strombegrenzung ein. Trotz dieser Schutzfunktionen gegen Überströme kann der Schaltregler, besonders beim Hochfahren, nicht so arbeiten wie beabsichtigt. Beim Hiccup-Modus als Strom begrenzende Schutzfunktion kann der Schaltregler in den Hiccup-Modus übergehen, wenn der Ausgangskondensator beim anfänglichen Hochfahren immer noch vollständig geladen ist. Dies verzögert oder verhindert das Hochfahren. Der Ausgangskondensator kann übermäßige Einschaltströme ziehen, die zusätzlich zum Verbraucher dafür sorgen, dass der Spulenstrom übermäßig groß wird und den Schwellwert für die Strombegrenzung im Hiccup-Modus erreicht.

Drei allgemein eingesetzte Strombegrenzungsverfahren sind die konstante Strombegrenzung, die rücklaufende Strombegrenzung und die Strombegrenzung im Hiccup-Modus.

Konstante Strombegrenzung

Bei der konstanten Strombegrenzung wird der Ausgangsstrom bei Überlast auf einem bestimmten Wert (ILIMIT) gehalten. Als Folge fällt die Ausgangsspannung ab. Dieser Mechanismus ist implementiert mit einer Strombegrenzung von Zyklus zu Zyklus. Diese benutzt den Spitzenspulenstrom durch den Leistungsschalter als Information, um eine Überlast festzustellen.

Bei der Methode der konstanten Strombegrenzung wird der Ausgangsstrom auf ILIMIT gehalten, mit dem Resultat einer hohen Verlustleistung im Regler. Diese Verlustleistung lässt die Sperrschichttemperatur ansteigen, was die thermischen Grenzwerte übersteigen kann.

Rücklaufende Strombegrenzung

Die rücklaufende Strombegrenzung löst teilweise die Probleme der konstanten Strombegrenzung und hilft, den Transistor auch bei einer Überlast im sicheren Arbeitsbereich zu halten. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass es sich nicht vollständig selbst erholt. Wegen der rücklaufenden Arbeitsweise und abhängig von der Art des Verbrauchers könnte der Betriebspunkt in die rücklaufende Region zum Kurzschluss-Betriebspunkt fallen, wenn der Schwellwert der Strombegrenzung erreicht oder überschritten wird. Dies würde ein ständiges Ein- und Ausschalten des Bauteils erfordern, um es dem Bauteil zu ermöglichen, in den Normalbetrieb zurückzukehren.

Strombegrenzung durch Schluckauf-Betrieb (Hiccup mode)

Beim Hiccup-Modus schaltet der Konverter eine Reihe von kurzen Pulsen, gefolgt von einer Ruhephase – deshalb der Name Schluckauf (hiccup). Bei Überlast geht der Konverter in den Hiccup-Betrieb über, in dem die Schlafzeit vom Schalter abhängt, der für eine vordefinierte Zeitspanne ausgeschaltet ist. Am Ende der Schlafzeit versucht der Konverter wieder aus dem Soft-Start hochzufahren. Ist die Ursache für den Überstrom beseitigt, setzt das Bauteil den Normalbetrieb fort – ansonsten geht es wieder in den Hiccup-Betrieb über.

Die Methode der Strombegrenzung durch den Hiccup-Betrieb überwindet die Nachteile der beiden anderen Strombegrenzungsverfahren. Zum einen löst er das thermische Problem mit der Verlustleistung, da die Schlafzeit den durchschnittlichen Laststrom reduziert und der Konverter kann abkühlen. Zweitens erlaubt diese Methode eine sanfte automatische Erholung, wenn die Überlast wieder beseitigt ist.

Allerdings können einige Probleme auftreten, wenn der Detektor des Hiccup-Modus während des Hochfahrens aktiv ist. Ein zu hoher Einschaltstrom, zusätzlich zum Laststrom kann dazu führen, dass der Spulenstrom über den Schwellwert der Strombegrenzung ansteigt, was den Hiccup-Modus auslöst und den Konverter daran hindert hochzufahren. Beispielsweise ist dies der Fall, wenn der negative Ausgang des invertierenden Reglers ADP5071, der eine Ausgangsspannung von -15 V und 100 mA Ausgangsstrom bei einer Gesamtausgangskapazität von etwa 63 µF generiert, nicht hochfährt, nachdem eine 3,3-V-Stromversorgung angelegt wurde. Der negative Spannungspegel liegt unter dem Hiccup-Modus, wie in Bild 4 dargestellt, der vom großen Einschaltstrom am Ausgang ausgelöst wird. Der Spitzenspulenstrom steigt auf ungefähr 1,5 A und übersteigt damit den typischen Schwellwert der Strombegrenzung von zirka 1,32 A.

Auch wenn es einen exzessiven Eingangsstrom wegen einer großen Ausgangskapazität gibt, kann der Konverter unerwartet längere Zeitspannen zum Hochfahren benötigen, wie es Bild 5 zeigt.

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