Ein Abwärtswandler reduziert eine Gleichspannung von einem höheren auf ein niedrigeres Niveau, d.h., er „senkt“ die Eingangsspannung, wobei eine niedrigere Spannung am Ausgang erzeugt wird, ohne die Polarität zu verändern. Abwärtsregler werden häufig in Systemen eingesetzt, die eine lokale Spannungsumwandlung erfordern, z. B. das Herunterregeln einer verteilten Stromschiene (z.B. von 24V auf 5V). Sie sind für verschiedene Anwendungen unverzichtbar, z. B. für das Energiemanagement in elektronischen Geräten und die Spannungsregelung in batteriebetriebenen Systemen.
Abwärtswandler Prinzipien, Leistung und Anwendungen
29.11.2024
Schaltregler-Topologien werden für die meisten allgemeinen Leistungsumwandlungsanwendungen bevorzugt, da sie einen hohen Wirkungsgrad mit Designflexibilität verbinden. Infolgedessen wurden zahlreiche Schalttopologien entwickelt, die sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignen.
Inhaltsverzeichnis
Abbildung 1 zeigt das Funktionsprinzip des Abwärtswandlers. Die Spule L1 und der Kondensator C1 können als LC-Tiefpassfilter betrachtet werden. Wenn der Schalter S1 geschlossen ist, steigt die Spannung VL1 an der Last RL langsam an, da sich C1 über L1 auflädt.
Wenn dann S1 geöffnet wird, wird die im Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie am Schalterende der Spule durch die Diode D1 auf 0V geklemmt, so dass die Energie keine andere Wahl hat, als sich in den Kondensator und die Last zu entladen, wodurch die Spannung an der Last langsam abfällt.
Wenn dann S1 geöffnet wird, wird die im Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie am Schalterende der Spule durch die Diode D1 auf 0V geklemmt, so dass die Energie keine andere Wahl hat, als sich in den Kondensator und die Last zu entladen, wodurch die Spannung an der Last langsam abfällt.
Die durchschnittliche Ausgangsspannung ist dann, das Tastverhältnis des PWM-Steuersignals multipliziert mit der Eingangsspannung VIN. Abbildung 2 zeigt die charakteristischen Wellenformen dieser Schaltung.
Abb. 2: Wellenformen der Abwärtswandler (Quelle: RECOM)
Abb. 2: Wellenformen der Abwärtswandler (Quelle: RECOM)
Verbesserung des Grunddesigns
Die vereinfachte Schaltung in Abbildung 1 kann, wie in Abbildung 3 dargestellt, erweitert und verfeinert werden.
Diese Schaltung enthält eine Rückkoppelschaltung, die VOUT mit einer Referenzspannung VREF vergleicht und das PWM-Tastverhältnis entsprechend anpasst. Der durch R1 und R2 gebildete Spannungsteiler stellt die gewünschte Ausgangsspannung ein. Die Schaltung ersetzt auch die Diode D1 in Abbildung 1 durch den MOSFET S2, der vom Regler nur dann eingeschaltet wird, wenn dies für den korrekten Betrieb erforderlich ist, und bildet so einen Synchrongleichrichter.
Dieser Ansatz erhöht die Umwandlungseffizienz, geht jedoch mit einer höheren Komplexität einher. In RECOM’s DC/DC Book of Knowledge werden Schaltwandlertopologien und Designkompromisse sehr detailliert erörtert.
Diese Schaltung enthält eine Rückkoppelschaltung, die VOUT mit einer Referenzspannung VREF vergleicht und das PWM-Tastverhältnis entsprechend anpasst. Der durch R1 und R2 gebildete Spannungsteiler stellt die gewünschte Ausgangsspannung ein. Die Schaltung ersetzt auch die Diode D1 in Abbildung 1 durch den MOSFET S2, der vom Regler nur dann eingeschaltet wird, wenn dies für den korrekten Betrieb erforderlich ist, und bildet so einen Synchrongleichrichter.
Dieser Ansatz erhöht die Umwandlungseffizienz, geht jedoch mit einer höheren Komplexität einher. In RECOM’s DC/DC Book of Knowledge werden Schaltwandlertopologien und Designkompromisse sehr detailliert erörtert.
Vorteile und Nachteile der Abwärtsregler
Die Abwärtsregler-Topologie hat im Vergleich zu anderen Stromwandler-Topologien mehrere Vor- und Nachteile.
Die Vorteile sind folgende:
Zu den Nachteilen von Abwärtsschaltreglern gehören:
Abwärtswandler bieten einen hohen Wirkungsgrad und eine kompakte Bauweise, haben jedoch Einschränkungen in Bezug auf Lastverhalten, Störungen und Induktivitätsauswahl.
Die Vorteile sind folgende:
- Hoher Wirkungsgrad: Abwärtswandler können einen hohen Wirkungsgrad erreichen, oftmals über 97%. Dieser Wirkungsgrad ist vor allem bei synchronen Designs erreichbar.
- Breiter Eingangsspannungsbereich: Abwärtswandler können eine große Bandbreite an Eingangsspannungen verarbeiten.
- Kompaktes Design: Sie benötigen nur minimale externe Komponenten und eignen sich daher für Anwendungen mit geringem Platzangebot.
- Flexible Ausgangsspannung: Die Ausgangsspannung kann innerhalb eines weiten Bereichs eingestellt werden.
Zu den Nachteilen von Abwärtsschaltreglern gehören:
- Langsame Reaktion auf Laständerungen: Abwärtswandler im Strommodus reagieren relativ langsam auf plötzliche Laständerungen, insbesondere bei niedrigen Tastverhältnissen. Sobald der Leistungstransistor S1 abschaltet, bleibt er bis zum nächsten Taktzyklus ausgeschaltet.
- Schwankung der Ausgangsspannung: Schnelle Lastwechsel können aufgrund der begrenzten Bandbreite zu erheblichen Schwankungen der Ausgangsspannung führen.
- Herausforderungen bei dem EMV-Filter: Der Abwärtsregler erzeugt EMI aufgrund des pulsierenden Eingangsstroms, der durch den Schaltvorgang verursacht wird. Ein EMV-Filter ist erforderlich.
Abwärtswandler bieten einen hohen Wirkungsgrad und eine kompakte Bauweise, haben jedoch Einschränkungen in Bezug auf Lastverhalten, Störungen und Induktivitätsauswahl.
RECOMs RPH-Familie vereinfacht das Design von Abwärtsreglern
Die Entwicklung eines Abwärtsreglers für optimale Leistung ist keine leichte Aufgabe, aber RECOM hat es durch die Integration der Schlüsselelemente in ein benutzerfreundliches Power Module geschafft, sie zu vereinfachen.
Abb. 4: Der RPH-3.0 von RECOM vereinfacht das Hinzufügen eines Abwärtswandlers zu einem Design (Quelle: RECOM)
Die RPH-3.0-Serie ist eine kompakte und vielseitige Lösung, die anspruchsvolle Anforderungen an die Leistungsumwandlung mit Effizienz und Präzision erfüllt. Dieses Abwärtsregler-Power Module enthält eine integrierte geschirmte Induktivität für geringe EMI und bietet eine Vielzahl von Funktionen, die eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit gewährleisten. Mit einer maximalen Eingangsspannung von 55V bietet dieses Modul eine robuste Lösung für verschiedene Anwendungen und gewährleistet eine stabile und effiziente Spannungsregelung. Die Ausgangsspannung ist im Bereich von 1 bis 15V voll programmierbar und bietet somit Flexibilität für spezifische Systemanforderungen.
Mit einem maximalen Ausgangsstrom von bis zu 3A eignet sich dieses Power Module für die Stromversorgung einer Reihe von elektronischen Geräten und Systemen. Die RPH-Serie ist mit Kurzschlussschutz (SCP), Überstromschutz (OCP), Überspannungsschutz (OVP) und Unterspannungsabschaltung (UVLO) ausgestattet, um die Langlebigkeit und den Schutz der angeschlossenen Geräte zu gewährleisten.
Das kompakte 10mm x 12mm x 4mm große QFN-Gehäuse macht das RPH-Power Module ideal für Anwendungen mit Platzproblemen und ermöglicht eine einfache Integration. Der Einsatz der Flip-Chip-Technologie verbessert das Wärmemanagement und stellt sicher, dass das Modul auch unter schwierigen Bedingungen effizient arbeitet. Der RPH weist einen Wirkungsgrad von bis zu 91% auf. Dieser hohe Wirkungsgrad trägt nicht nur zu einem geringeren Energieverbrauch bei, sondern minimiert auch die Wärmeentwicklung und erhöht so die allgemeine Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Moduls.
Die RPH-3.0-Serie ist eine hochmoderne Lösung, die modernste Technologie mit kompaktem Design und robusten Schutzfunktionen für alle Unterhaltungselektronik- und Industrieanwendungen sowie alle anderen Projekte kombiniert, die eine zuverlässige PoL-Versorgung mit gleichbleibender und effizienter Leistung erfordern.
Abb. 4: Der RPH-3.0 von RECOM vereinfacht das Hinzufügen eines Abwärtswandlers zu einem Design (Quelle: RECOM)
Die RPH-3.0-Serie ist eine kompakte und vielseitige Lösung, die anspruchsvolle Anforderungen an die Leistungsumwandlung mit Effizienz und Präzision erfüllt. Dieses Abwärtsregler-Power Module enthält eine integrierte geschirmte Induktivität für geringe EMI und bietet eine Vielzahl von Funktionen, die eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit gewährleisten. Mit einer maximalen Eingangsspannung von 55V bietet dieses Modul eine robuste Lösung für verschiedene Anwendungen und gewährleistet eine stabile und effiziente Spannungsregelung. Die Ausgangsspannung ist im Bereich von 1 bis 15V voll programmierbar und bietet somit Flexibilität für spezifische Systemanforderungen.
Mit einem maximalen Ausgangsstrom von bis zu 3A eignet sich dieses Power Module für die Stromversorgung einer Reihe von elektronischen Geräten und Systemen. Die RPH-Serie ist mit Kurzschlussschutz (SCP), Überstromschutz (OCP), Überspannungsschutz (OVP) und Unterspannungsabschaltung (UVLO) ausgestattet, um die Langlebigkeit und den Schutz der angeschlossenen Geräte zu gewährleisten.
Das kompakte 10mm x 12mm x 4mm große QFN-Gehäuse macht das RPH-Power Module ideal für Anwendungen mit Platzproblemen und ermöglicht eine einfache Integration. Der Einsatz der Flip-Chip-Technologie verbessert das Wärmemanagement und stellt sicher, dass das Modul auch unter schwierigen Bedingungen effizient arbeitet. Der RPH weist einen Wirkungsgrad von bis zu 91% auf. Dieser hohe Wirkungsgrad trägt nicht nur zu einem geringeren Energieverbrauch bei, sondern minimiert auch die Wärmeentwicklung und erhöht so die allgemeine Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Moduls.
Die RPH-3.0-Serie ist eine hochmoderne Lösung, die modernste Technologie mit kompaktem Design und robusten Schutzfunktionen für alle Unterhaltungselektronik- und Industrieanwendungen sowie alle anderen Projekte kombiniert, die eine zuverlässige PoL-Versorgung mit gleichbleibender und effizienter Leistung erfordern.
RECOM-Lösungen für isolierte Stromanwendungen
Ein auf der Abwärts-Topologie basierendes Power Module ist nicht isoliert, d.h., es verwendet keinen Transformator, um eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang zu gewährleisten. Viele Anwendungen in der Datenerfassung, dem industriellen Internet of Things (IIoT), grüner Energie und anderen Bereichen erfordern eine galvanische Trennung. RECOM bietet eine breite Palette von isolierten Power Modules für diese Anwendungen.
Fazit
Der Abwärtswandler ist eine bewährte Lösung, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad in einem kompakten Formfaktor auszeichnet. Bei der Verwendung von Abwärtswandlern in einem Design ist Vorsicht geboten, aber die RPH-3.0-Familie von RECOM bietet eine einfache Lösung, indem sie die wichtigsten Komponenten in ein kompaktes, hochleistungsfähiges Power Module integriert.
Anwendungen
| Serie | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
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RPH-3.0
Fokus
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| 2 |
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RPH-3.0-EVM-1
Fokus
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