Bild 3. Topologie des Serienkondensator-Abwärtswandlers.

Bild 3. Topologie des Serienkondensator-Abwärtswandlers. Texas Instruments

Mit einem Serienkondensator und anderen Schaltungsmodifikationen für das kapazitive Design ließen sich diese Probleme mit hohen Frequenzen lösen. Nachfolgend wird beschrieben, in welchen Grundzügen sich das neue Wandlerdesign von früheren Konzepten unterscheidet und wie es ihm gelingt, die Forderungen nach geringem Platzbedarf, einem großen Verhältnis zwischen VIN und VOUT und einem hohen Ausgangsstrom zu erfüllen.

Bild 3 zeigt einen zweiphasigen Serienkondensator-Abwärtswandler. Ein entscheidender Unterschied zwischen diesem Design und jenem in Bild 2 ist, dass der Wandler aus zwei parallelen Sektionen (Phasen) besteht, die jeweils über eine eigene Induktivität verfügen (L1 beziehungsweise L2). Ebenso sind zusätzliche Schalter vorhanden, die den Energiefluss durch die zweite Phase kontrollieren.

Wird der Kondensator abwechselnd ge- und entladen und die FETs Q2a und Q2b öffnen und schließen, fließt der Strom in vier Zeitintervallen abwechselnd durch die beiden Induktivitäten, sodass am Ausgang die gewünschte niedrigere Spannung anliegt. Die am Kondensator liegende Spannung beträgt nominell 50 % von VIN, was zur Minimierung der Schaltverluste beiträgt, denn ein niedrigerer Spannungshub senkt die in jedem Zyklus entstehenden Verluste. Dies wiederum erlaubt die Verwendung einer höheren Schaltfrequenz, was Platz und Gewicht spart, da kleinere Induktivitäten und Kondensatoren eingesetzt werden können. Weitere Vorteile, die dazu beitragen, die Qualität der Ausgangsspannung zu erhöhen und die Designkomplexität zu verringern, sind die geringere Welligkeit des Stroms in den Induktivitäten, der automatische Stromausgleich zwischen den Induktivitäten, das sanfte Laden und Entladen durch den Kondensator, die Verdoppelung der Einschaltzeit und das ausgezeichnete Lastsprungverhalten. Alle diese Faktoren helfen die Herausforderungen bei der Realisierung kompakter Spannungsregler mit hoher Schaltfrequenz zu überwinden.

Das erste Angebot von TI auf Basis der kapazitiven Wandlertopologie ist der Swift-Abwärtswandler TPS54A20

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