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Eine simple und elegante Lösung mit 96 Prozent - Polyscope

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ST R O MVE R S O R G U N G
A B WÄ R T S - / AU F WÄ R T S - G L E I C H S PA N N U N G S WA N D L E R
www.polyscope.ch
Von F ly back über SEPIC und Sy nc hronwan dl er zum µM o dule -R egler
Eine simple und elegante Lösung
mit 96 Prozent Wirkungsgrad
Gleichspannungs-Buck-/Boost-Wandler (Abwärts-/Aufwärtswandler) sorgen für unidirektionale
Spannungswandlung, wobei die Spannung stets unter bzw. über die Eingangsspannung geregelt wird. Das
Problem, wie eine Spannung präzise geregelt werden kann, wenn die Eingangsspannung mal oberhalb,
mal unterhalb und mal gleich der Ausgangsspannung ist, wurde durch diverse Topologien gelöst.
» Afshin Odabaee
Zum Beispiel wird in zahlreichen akkubasierten Systemen, bei denen die Akkuspannung
je nach Ladestand und Kapazität schwankt,
eine Flyback-Topologie verwendet. Ein Abwärts-/Aufwärtswandler ist auch eine sinnvolle Lösung in Systemen mit schlecht geregelter Eingangsspannung, die über die
Nenn-Ausgangsspannung steigen oder darunter fallen kann.
Ein kurzer Rückblick führt zum
Flyback-Wandler
Ein früher Ansatz bei der Konzeption eines
Gleichspannungswandlers, der eine stabile
Ausgangsspannung unabhängig von der relativen Höhe der Eingangsspannung bereitstellen konnte (egal ob V IN höher oder niedriger als VOUT ist), war der Flyback-Wandler.
Flyback hat jahrelang die Zeiten überstanden und wird immer noch verwendet, weil
die meisten Analogingenieure mit seinem
Design sehr vertraut sind und abgesehen
von einem guten Verständnis des Magnetund MOSFET-Verhaltens das Design recht
einfach ist. Jedoch erfordert ein FlybackRegler bei manchen Gleichspannungswandlungen eventuell ein spezielles Trafodesign,
und sein Wirkungsgrad ist für die meisten
modernen Applikationen häufig zu niedrig.
Dies führt zu der nächsten Möglichkeit, dem
SEPIC.
Autor
Afshin Odabaee, Product Marketing Engineer,
Linear Technology
Die µModule-Abwärts-/Aufwärtsregler LTM 4605 und LTM 4607 bestehen zu 100 Prozent aus
Halbleiter-Gleichspannungscontrollern und MOSFETs von Linear Technology
SEPIC ist das Akronym für «Single Ended
Primary Inductance Converter». Sieht man
von dem fantasievollen Namen ab, basiert
ein SEPIC auf einem Gleichspannungs-Aufwärtswandler-IC sowie einem gekoppelten
Induktor oder einem Trafo. HochleistungsSEPIC-Designs erfordern externe LeistungsMOSFETs, die häufig gross sind, weil sie hohe
Spannungstransienten aushalten und einen
niedrigen RDS(ON) bereitstellen müssen. Der
gekoppelte Induktor ist häufig kein Standardinduktor, und seine Konstruktion spielt
eine wichtige Rolle für die Performance des
Designs der Stromversorgung. Zudem hat ein
SEPIC, und in gewissem Masse auch ein Flyback-Wandler, einen Wirkungsgrad zwischen
67 und 86 Prozent, der von vielen Faktoren
abhängt, wie zum Beispiel dem Wandlungsverhältnis sowie der Auswahl des Magnetmaterials, der Kondensatoren und des MOSFET.
Das Layout ist auch sehr wichtig für das Stabilitäts- und Wärmemanagement.
Kleineres Design, höherer Wirkungsgrad
Für Applikationen, die Hochleistungs-Abwärts-/Aufwärtswandlung erforderten, für
Polyscope 15/08
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Vergleich zwischen einem SEPIC (links) und
einem synchronen Abwärts-/Aufwärtswandler
die aber Flyback- und SEPIC-Wandler wegen
ihres niedrigen Wirkungsgrades und der hohen Wärmeabstrahlung nicht infrage kamen,
wurde die Lösung vor einigen Jahren in Form
eines Aufwärts-/Abwärts-Schaltreglers mit
vier Schaltern und einer Induktivität eingeführt. Die Schaltung und die Architektur
konnten mühelos einen Wirkungsgrad von 90
bis 95 Prozent bei 60 W (12 V, 5 A) Ausgangsleistung erreichen. Das waren fantastische
Neuigkeiten für Systemdesigner, die Wärmeentwicklung vermeiden wollten.
Die Lösung entsprach den Leistungsanforderungen der meisten Applikationen,
und sie lieferte die Spannung mit einem hohen Wirkungsgrad, während der Wechsel
zwischen den verschiedenen Betriebsmodi
(von Abwärts- zu Aufwärtswandlung oder
umgekehrt) nahtlos erfolgte. Mit vier MOSFETs, einem entkoppelten Standardinduktor,
dem synchronen Gleichspannungswandler
(LTC 3780 von Linear Technology), einer Kompensationsschaltung und einer guten Kenntnis über Layout konnte man dieses kleinere
Design mit seinem höheren Wirkungsgrad
implementieren.
Elegante Abwärts-/Aufwärtswandlung
für jede Situation
Die Idee synchroner Abwärts-/Aufwärtswandlung mit vier Schaltern ermöglicht es
Designern, eine höhere Leistung bereitzustellen und dabei weniger Wärme als mit
einem Flyback-Wandler oder SEPIC zu erzeugen. Die Magnetkomponente ist ebenfalls
einfacher verfügbar, denn es ist keine spezielle Induktor- oder Trafowicklung notwendig. Möglicherweise wird aber mancher von
der Schaltung, die aus immerhin rund 24
Bauteilen besteht, eingeschüchtert sein.
Oder man hat nicht genügend Analogkenntnisse oder der Zeitplan für die Fertigstellung
eines komplizierten Systems ist so eng, dass
man sich nicht auch noch mit dem Versorgungsabschnitt des Projekts herumschlagen
möchte.
Für solche Fälle gab es kürzlich gute Nachrichten: Linear Technology hat eine Möglichkeit gefunden, 90 Prozent der Abwärts-/AufPolyscope 15/08
wärtswandlungsschaltung des LTC 3780 in
einem LGA-Gehäuse (Land Grid Array) von
15ϫ15ϫ2,8 mm unterzubringen, das nur
1,5 g wiegt und einem oberflächenmontierbaren IC ähnelt. Er benötigt nur einen
Standardinduktor, einen Widerstand für die
Einstellung der Ausgangsspannung, einen
Strommesswiderstand und Eingangs- und
Ausgangsstützkondensatoren. Die MOSFETs,
die Kompensationsschaltung und der hoch
entwickelte Gleichspannungswandler sind
alle im Kunststoff-Schutzgehäuse integriert.
94 bis 98 Prozent Wirkungsgrad
müssen ein Druckfehler sein
Doch es ist kein Druckfehler. Die µModule-Abwärts-/Aufwärtsregler LTM 4605 und LTM 4607
bestehen zu 100 Prozent aus HalbleiterGleichspannungscontrollern und MOSFETs
von Linear Technology. Da diese Firma alle
Halbleiter selbst designt und fertigt, ist die
µModule-Familie für den Hochleistungs-Abwärts-/Aufwärtswandlungsbetrieb optimiert.
Die MOSFET-Gatekapazität RDS(ON) und leistungsfähige Treiber des Gleichspannungswandlers liefern erstaunliche Ergebnisse. Das
Layout ist ebenfalls sehr einfach und lässt Irrtümern keinen Raum. Das Layout steht im
Datenblatt (www.linear.com/micromodule).
Die Hochleistungsversion der beiden ICs (der
LTM 4607) ist für eine Eingangsspannung von
4,5 bis 36 V, eine Ausgangsspannung zwischen 0,8 und 24 V und eine Ausgangsleistung von bis zu 160 W spezifiziert.
Fazit
Sofern man nicht ein Experte für das Design
von analogen Schaltstromversorgungen ist,
kann das Design eines Abwärts-/Aufwärtswandlers eine beängstigende Aufgabe sein.
Neben dem Verständnis der Mathematik hinter der Auswahl des Werts des Bauteils ist
auch das Verständnis der Physik erforderlich,
etwa die Wirkung von Layout, Masseflächen,
Leiterplatten, Löten und Wärmemanagement.
Ein Hochleistungs-Abwärts-/Aufwärtswandler mit hohem Wirkungsgrad, der leicht zu
entwerfen ist und nur minimales Design der
Spannungsversorgung erfordert, kann die
Sorgen und Ängste zahlreicher Designer digitaler Schaltungen verringern. Die neuen
Gleichspannungswandlern aus der µModuleFamilie ist die Antwort. Sie sind so einfach,
dass sie einem IC ähneln.
«
Infoservice
Linear Technology GmbH
Osterfeldstrasse 84, DE-85737 Ismaning
Tel. 0049 89 962 45 50, Fax 0049 89 96 31 47
www.linear.com
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