Bildergalerie
Bild 1: Aus einer Eingangsspannung von +18 V erzeugt diese Schaltung auf Basis des MAX17502 Ausgangsspannungen von +30 V und  -15 V.
Bild 2: Ein vereinfachtes Schaltbild des synchronen Abwärtswandlers.
Bild 3: Ein vereinfachtes Schaltbild des synchronen invertierenden Abwärts-Aufwärtswandlers.
Bild 4: Der Wirkungsgrad als Funktion des Laststroms.
Bild 5: Die Netz- und Lastausregelung der Ausgangsspannung.
Bild 6: Ein Softstart mit 500 mA Laststrom am Ausgang.
Bild 7: Das Bode-Diagramm bei Volllast.
Bild 8: Das Einschwingverhalten bei Lastsprüngen (bei einer sprungförmigen Änderung des Laststroms von 250 auf 500 mA).

Hochvolttaugliche synchrone Abwärtswandler mit integrierten MOSFETs empfehlen sich als kompakte und effiziente Lösung zum Erzeugen positiver Ausgangsspannungen. Wie nachfolgend beschrieben, können eben diese synchronen Abwärtswandler auch eine negative Ausgangsspannung generieren. Damit können Systemdesigner beide Spannungen mit dem gleichen Baustein erzeugen, sodass sie weniger Bauelemente benötigen.

Einfach umgepolt

Synchron-Abwärtswandlern mit integrierten MOSFETs sind kompakt und erzeugen positive Ausgangsspannungen auf effiziente Weise. Doch sie können auch eine negative Ausgangsspannung generieren. Beide Spannungen lassen sich so mit einem einzelnen Baustein erzeugen.

Eine Anwendung mit -15 V Ausgangsspannung zeigt, wie es funktioniert: In diesem Beispiel kommt der synchrone Abwärtswandler MAX17502 zum Einsatz. Eine detailliertere Abhandlung über das Design mit solchen Wandlern enthält die Maxim-Applikationsschrift AN5775 mit dem Titel Designing Negative Output Voltage Applications with the MAX17501/02.

Schaltung und Funktionsprinzip

In Bild 1 ist der synchrone Abwärtswandler MAX17502 als synchroner, invertierender Abwärts-Aufwärtswandler konfiguriert. Das Funktionsprinzip, das dieser Schaltung zugrunde liegt, lässt sich anhand der Bilder 2 und 3 verstehen, die den Abwärtswandler und den invertierenden Abwärts-Aufwärtswandler illustrieren. Dabei ist die Konfiguration der Schalter S1 und S2 sowie der Filterkomponenten LO und CO identisch. Der Unterschied zwischen beiden Konfigurationen liegt lediglich in den Klemmenspannungen, die als Eingangsspannung beziehungsweise Ausgangsspannung des Wandlers bezeichnet sind.

Im Abwärtswandler von Bild 2 ist die Klemmenspannung an den Klemmen A und C (VAC) als die Eingangsspannung (VIN) definiert, und der Ausgang wird an der Klemmen B und C als Klemmenspannung VBC (VOUT) abgegriffen. Der Schalter S1 schaltet ein und nutzt VAC zum Speichern von Energie in der Induktivität LO, während gleichzeitig Energie an den Ausgangskondensator CO gelangt. Als nächstes schaltet S1 ab. Zeitgleich wird der Schalter S2 geschlossen, damit die in LO gespeicherte Energie an den Ausgangskondensator CO gelangt. Da Klemme C als die Masse dieser Schaltung definiert ist, liegt VBC gegenüber der Masseklemme C als positive Spannung an.

Im invertierenden Abwärts-Aufwärtswandler (Bild 3) ist die Klemmenspannung VAB als Eingangsspannung (VIN) definiert, und die Ausgangsspannung (VOUT) wird an der Klemmenspannung VCB abgegriffen. Der Schalter S1 schaltet ein und verwendet VAB zum Speichern von Energie in der Induktivität LO. Wenn S1 anschließend abschaltet, wird S2 geschlossen, sodass die in LO gespeicherte Energie an den Ausgangskondensator CO fließt. Hier ist Klemme B als Masse der Schaltung definiert. Dementsprechend liegt VCB bezogen auf die Masse dieser Schaltung als negative Spannung an. Wenn es keine weiteren Designrestriktionen für das IC gibt, lässt sich ein synchroner Abwärtswandler somit als invertierender Abwärts-Aufwärtswandler verwenden.

Stromversorgungs-Spezifikationen

Die Anforderungen an die als Beispiel dienende Stromversorgung in Bild 1 lauten wie folgt:

  • Eingangsspannung (VIN): 24 V ±6 V
  • Ausgangsspannung (VOUT):  -15 V
  • Ausgangsstrom (IOUT): maximal 500 mA
  • Ripple am Eingang unter statischen Bedingungen (VIN,Ripple): 1 % vom Nennwert von VIN
  • Ripple am Ausgang unter statischen Bedingungen (VOUT,Ripple): 1 % vom Nennwert von VOUT

Die Performance-Werte des invertierenden synchronen Abwärts-Aufwärtswandlers auf Basis des MAX17502G sind in den Bildern 4 bis 8 zu sehen.