DC/DC-Wandler mit niedrigem Stromverbrauch profitieren von ausgefeilten Design Updates

Die Umwandlung einer DC-Spannung - in einer elektronischen Schaltung hat eine Geschichte, die über fünfzig Jahre zunehmender Raffinesse zeigt - moderne Designs haben eine unglaublich hohe Leistungsdichte zusammen mit entsprechenden Fortschritten bei der Effizienz, um die Verlustleistung niedrig zu halten. Die aktuellen Designs von RECOM enthalten viele Innovationen, die High Power Designtechniken, um Konverter mit niedriger Leistung in kleinsten Gehäusen zu nutzen.

Die ersten Lösungen für die DC/DC-Wandlung waren allesamt rauscharme lineare Designs, die einfach zu verwenden waren, aber zwei große Nachteile hatten. Erstens muss die Ausgangsspannung immer niedriger sein als die Eingangsspannung. Ein linearer Regler ist jedoch sehr ineffizient und verbraucht einen erheblichen Teil der zugeführten Leistung als Wärme. Zweitens kann der Wirkungsgrad von Linearreglern je nach Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang bei 60% oder weniger liegen.

Die Erfindung des schaltenden DC/DC-Wandlers löste zwar beide Probleme, erforderte aber eine komplexere Entwicklungsmethodik. Im Gegensatz zu linearen Designs nutzen Schaltregler die energiespeichernden Eigenschaften von induktiven und kapazitiven Komponenten, um Energie in diskreten Paketen zu übertragen. Die Stromimpulse werden entweder im Magnetfeld einer Induktivität oder im elektrischen Feld eines Kondensators gespeichert.

Die Schaltsteuerung sorgt dafür, dass bei jedem Schaltzyklus nur die von der Last benötigte Leistung übertragen wird, was diese Topologie sehr effizient macht. Die besten Designs können Wirkungsgrade von 97% oder mehr erreichen. Abbildung 1 zeigt das vereinfachte Blockdiagramm eines schaltenden DC/DC-Wandlers.

Die Schaltfunktion in Abbildung 1 wird von Leistungstransistoren ausgeführt, die in einer kontrollierten Abfolge zwischen ihren hocheffizienten „Ein“- und „Aus“-Zuständen wechseln. Dies steht im Gegensatz zum kontinuierlichen Betrieb in einem linearen Design. Ein schaltender DC/DC-Wandler kann einen Ausgang erzeugen, der entweder höher oder niedriger als der Eingang ist (step up oder step down) oder die Spannung vom Eingang zum Ausgang invertieren.

Der Ausgang kann entweder geregelt oder ungeregelt sein. Die Ausgangsspannung eines ungeregelten Konverters ändert sich erheblich bei Schwankungen des Laststroms oder der Eingangsspannung. Bei einem geregelten Design führt eine Rückkopplungsregelschleife (gepunktete Linie) die Ausgangsspannung zurück zum Schaltblock. Dadurch wird der Schaltvorgang geändert, um Abweichungen der Ausgangsspannung vom gewünschten Wert zu kompensieren, unabhängig davon, ob sie durch Änderungen der Eingangsspannung (z.B. eine sich langsam entleerende Versorgungsbatterie) oder durch Änderungen der Last verursacht werden.

Die einfachsten Schalttopologien haben einen gemeinsamen Massestrompfad zwischen Eingang und Ausgang und sind daher nicht isoliert, wobei das induktive Element eine Spule ist. Ein isolierter Wandler bietet eine galvanische Isolierung zwischen Eingang und Ausgang, da er die Leistung über ein elektromagnetisches Feld überträgt, das durch die miteinander gekoppelten Wicklungen eines Transformators erzeugt wird. Da der Ausgang vom Eingang elektrisch isoliert ist, spielt es keine Rolle, ob die Eingangsspannung am Ausgang die gleiche oder eine entgegengesetzte Polarität hat. Bei einem linearen Design fließt der Erdungsstrom direkt zwischen Eingang und Ausgang; daher ist eine Isolierung keine Option, und es werden nur drei Pins benötigt: Vin, gemeinsame Masse und Vout.

DC/DC-Wandler-Topologien für DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch

Bei der Entwicklung von Stromversorgungen ist es fast selbstverständlich, dass eine bessere Leistung mit höheren Kosten, größerer Komplexität und größerem Platzbedarf einhergeht. Da die Benutzer kleiner DC/DC-Wandler großen Wert auf kompakte Größe und Kosteneffizienz legen, stellt sich die Frage, wie RECOM diese Anforderungen in seinen isolierten DC/DC-Produkten mit niedrigem Stromverbrauch erfüllt.

Die Push-Pull-Topologie wird häufig für isolierte DC/DC-Wandler verwendet. Sie ist eine kostengünstige Methode zur Erzeugung höherer, niedrigerer oder invertierter Spannungen, da das Übersetzungsverhältnis des Transformators das Verhältnis der Ausgangsspannung bestimmt. Die Topologie ist einfach, einigermaßen effizient und hat relativ geringe elektromagnetische Emissionen.

Abbildung 2 zeigt das Blockdiagramm eines isolierten Push-Pull-DC/DC-Wandlers mit einem ungeregelten Ausgang. Um Platz zu sparen, können der Oszillator und die Treibertransistoren in einem speziellen Push-Pull-Transformator-Treiber-IC kombiniert werden.
Für einen geregelten Ausgang fügt der einfachste Ansatz einen linearen Regler auf der Sekundärseite in Reihe mit der +Vout-Leitung hinzu, wie in Abbildung 3 gezeigt. Dieser Ansatz erreicht das gewünschte Ziel und eignet sich für die DC/DC-Designs mit der geringsten Wattzahl. Ein Beispiel ist die RECOM RYK-Serie, bei der der Linearregler sowohl einen Kurzschlussschutz als auch einen geregelten, rauscharmen Ausgang bietet.

Diese Art von Design kann Wirkungsgrade von etwa 65-75% erreichen. Oberhalb von 1W oder 2W wird die Maximierung der Effizienz zu einer höheren Priorität, was eine weitere Verfeinerung des Designs erfordert. Daher wird anstelle der sekundärseitigen Regelung die primärseitige Regelung verwendet. Anstelle des linearen Reglers wird die Ausgangsspannung auf der Sekundärseite überwacht und mit der gewünschten Spannung verglichen, um eine Fehlerspannung zu erzeugen, die dann an den Oszillator-Controller auf der Primärseite zurückgesendet wird. Dieser passt die Schaltfrequenz an, um den Fehler gegen Null zu treiben. Da es sich um ein isoliertes Design handelt, muss auch das Fehlersignal isoliert sein. Abbildung 4 zeigt diesen Ansatz, der in den geregelten Konvertern von RECOM mit einer Leistung von 3W und mehr verwendet wird und Wirkungsgrade von etwa 85% ermöglicht.

Für DC/DC-Wandler mit noch höherer Ausgangsleistung ist ein ausgefeilterer Ansatz erforderlich. Nicht nur der Linearregler verschwendet auf die oben beschriebene Weise Strom, auch die beiden sekundärseitigen Dioden sind Verlustquellen. Eine Leistungsdiode hat einen Vorwärts-Spannungsabfall von typischerweise 0,5V, was einem Leistungsverlust von 0,5W bei 1A entspricht.

Die Lösung besteht darin, die Dioden und den Linearregler durch einen Synchrongleichrichter zu ersetzen, der aus zwei FETs und einem Controller besteht.

Abbildung 5 stellt die beiden Ansätze gegenüber. Die FETs fungieren als Gleichrichter, indem sie sich während des Vorwärtsteils des Zyklus einschalten und während des Rückwärtsteils des Zyklus ausschalten. Die Kombination aus schnellem Schalten und sehr niedrigem Einschaltwiderstand R_DS(ON)(ON) von etwa 10mΩ macht FETs zu idealen Gleichrichtern.

Der Nachteil ist, dass sie aktiv angesteuert werden müssen. Daher sind zusätzliche Timing- und Ansteuerungsschaltungen erforderlich, die die internen Spannungen erfassen und die beiden FETs synchron mit der Ausgangswellenform korrekt ein- und ausschalten. Dioden sind passive Bauelemente, die keine zusätzlichen Schaltkreise benötigen, um zu funktionieren. Der höhere Wirkungsgrad, den die synchrone Gleichrichtung bietet, wiegt jedoch die höhere Kostenkomplexität für Konverter mit höherem Ausgangsstrom mehr als auf.

Der Synchrongleichrichter wird in RECOMs RP20-Familie von 20W-DC/DC-Wandlern verwendet, die Wirkungsgrade von bis zu 89% erreichen können. Dieses Design beinhaltet auch das oben beschriebene isolierte Fehlersignal. Der RP20 in Abbildung 6 schließlich erreicht Wirkungsgrade von 85-89% über einen breiten Lastbereich.

Fazit

Designtechniken, die von viel größeren Stromversorgungen übernommen wurden, werden auf die DC/DC-Wandler mit der geringsten Leistung angewandt, was zu höheren Wirkungsgraden führt. Da sich die Prioritäten der Kunden mit steigender Leistung ändern, müssen entsprechende Modifikationen vorgenommen werden. RECOM ist führend bei der Auswahl der richtigen Designs für die beste Kombination aus Kosten und Größe.