Linearregler sind vom Konzept her simpel. Abbildung 1 zeigt ein typisches Design eines Linearreglers, der ein Regelungsschema mit geschlossenem Regelkreis verwendet. Der Pass-Transistor sorgt für die Regulierung, indem er als variabler Widerstand fungiert, der den vom Eingang zum Ausgang fließenden Strom begrenzt. Daher muss die Ausgangsspannung immer niedriger sein als die Eingangsspannung.
Die Vor- und Nachteile von Schaltreglern gegenüber Linearreglern für die DC/DC-Wandlung
13.12.2024
Die Regulierung von Gleichstromspannungen hat eine lange Geschichte: Die ersten integrierten Schaltkreisregler wurden vor fünfzig Jahren entwickelt. Die ersten Regler waren Linearregler und einige der ersten Designs werden noch heute verwendet. Die Nachfrage nach höherer Effizienz und Designflexibilität trieb später die Entwicklung von Schaltreglertopologien voran. Sowohl lineare als auch geschaltete Designs haben bei bestimmten Anwendungen Vor- und Nachteile: In diesem Blog werden beide Ansätze verglichen und gegenübergestellt.
Inhaltsverzeichnis
Die Widerstandsteiler-Kette R1/R2 wird so gewählt, dass bei der gewünschten Ausgangsspannung VOUT die heruntergeteilte Spannung am invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers gleich der Spannung VREF am nichtinvertierenden Eingang ist. Der Fehlerverstärker steuert seinen Ausgang so, dass die Spannungsdifferenz zwischen seinen Eingängen immer Null ist.
Linearregler erzeugen nur ein minimales Schaltrauschen und eignen sich daher für Anwendungen, die einen niedrigen Störpegel erfordern. Im Normalbetrieb bleibt die Ausgangsspannung auch bei schnellen Schwankungen der Eingangsspannung stabil. Das bedeutet, dass sie auch sehr effektiv die Eingangs-Ripple herausfiltern können, nicht nur bei der Grundfrequenz, sondern auch bis zur fünften oder zehnten Harmonischen. Die Begrenzung liegt nur in der Bandbreite des internen Fehlerverstärkers. Zu den niedrigen Störpegel Anwendungsbeispielen gehören Datenerfassungssysteme, analoge Präzisionsschaltungen und Sensoren für das Internet of Things (IoT).
Linearregler sind außerdem kostengünstig und bestehen aus weniger Komponenten, wodurch sie sich für preisgünstige oder platzsparende Designs für Haushalts- und Industrieanwendungen eignen. Andererseits erscheint die Spannung zwischen Eingang und Ausgang (VIN – VOUT) über dem Pass-Transistor, was zu einem Leistungsverlust führt, der als Wärme abgeführt werden muss. Je nach der Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang kann der Verlust einen erheblichen Anteil der gelieferten Leistung ausmachen. Ein Linearregler, der aus einer 9-V-Eingangsspannung eine 5-V-Ausgangsspannung erzeugt, vergeudet beispielsweise 44% der zugeführten Energie in Form von Wärme, was einem Wirkungsgrad von nur 56% entspricht. Aufgrund der Anforderungen an die Wärmeableitung können Linearregler größere Kühlkörper oder zusätzliche Kühlmechanismen erfordern.
Linearregler erzeugen nur ein minimales Schaltrauschen und eignen sich daher für Anwendungen, die einen niedrigen Störpegel erfordern. Im Normalbetrieb bleibt die Ausgangsspannung auch bei schnellen Schwankungen der Eingangsspannung stabil. Das bedeutet, dass sie auch sehr effektiv die Eingangs-Ripple herausfiltern können, nicht nur bei der Grundfrequenz, sondern auch bis zur fünften oder zehnten Harmonischen. Die Begrenzung liegt nur in der Bandbreite des internen Fehlerverstärkers. Zu den niedrigen Störpegel Anwendungsbeispielen gehören Datenerfassungssysteme, analoge Präzisionsschaltungen und Sensoren für das Internet of Things (IoT).
Linearregler sind außerdem kostengünstig und bestehen aus weniger Komponenten, wodurch sie sich für preisgünstige oder platzsparende Designs für Haushalts- und Industrieanwendungen eignen. Andererseits erscheint die Spannung zwischen Eingang und Ausgang (VIN – VOUT) über dem Pass-Transistor, was zu einem Leistungsverlust führt, der als Wärme abgeführt werden muss. Je nach der Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang kann der Verlust einen erheblichen Anteil der gelieferten Leistung ausmachen. Ein Linearregler, der aus einer 9-V-Eingangsspannung eine 5-V-Ausgangsspannung erzeugt, vergeudet beispielsweise 44% der zugeführten Energie in Form von Wärme, was einem Wirkungsgrad von nur 56% entspricht. Aufgrund der Anforderungen an die Wärmeableitung können Linearregler größere Kühlkörper oder zusätzliche Kühlmechanismen erfordern.
Schaltregler – Effizienz statt Komplexität
Die Erfindung des geschalteten DC/DC-Wandlers sorgte für einen höheren Wirkungsgrad, erforderte jedoch eine komplexere Designmethodik. Im Gegensatz zu linearen Designs nutzen Schaltwandler die energiespeichernden Eigenschaften von induktiven und kapazitiven Komponenten, um Leistung in diskreten Energiepaketen zu übertragen. Die Energiepakete werden entweder im magnetischen Feld einer Induktivität oder im elektrischen Feld eines Kondensators gespeichert. Der Schaltregler sorgt dafür, dass in jedem Paket nur die von der Last benötigte Energie übertragen wird, so dass diese Topologie sehr effizient ist. Die besten Designs können Wirkungsgrade von 95% oder mehr erreichen. Im Gegensatz zu einem Linearregler ist der Wirkungsgrad eines Schaltreglers nicht von der Spannung zwischen Eingang und Ausgang abhängig.
Abbildung 2 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild eines geschalteten DC/DC-Wandlers. Es gibt zahlreiche Arten von Schalttopologien, die eine große Designflexibilität bieten. Ein Schaltregler 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. Es gibt sowohl isolierte als auch nicht isolierte Topologien.
Schaltregler können aufgrund ihres besseren Wirkungsgrads und der geringeren Wärmeableitung kompakter sein. Sie sind jedoch schwieriger zu entwerfen und zu implementieren und erfordern eine Vielzahl von Fähigkeiten, einschließlich digitaler und analoger Steuerung, Magnetik wie auch Platinenlayout. Bei einem vor gegebenen Leistungsniveau erfordert die Steigerung der Effizienz eines Designs in der Regel eine höhere Komplexität mit zusätzlichen Komponenten und höheren Kosten.
Die schellen Schaltvorgänge können zu Störspannungen führen, welche zu elektromagnetischen Störungen (EMI) führen können, Die benachbarte Komponenten beeinträchtigen können. Der Entwickler muss auf die Platzierung der Komponenten, die Erdung und die Leiterbahnführung achten, um die Auswirkungen des Schaltrauschens zu minimieren. Schaltregler werden bevorzugt für Anwendungen eingesetzt, bei denen es ein hoher Wirkungsgrad ausschlaggebend ist, z. B. bei Stromversorgungen für Server, Computer und industrielle Prozesssteuerung. Anwendungen, die mit Batterien betrieben werden, profitieren ebenfalls von der höheren Effizienz, die sich in einer längeren Batterielebensdauer niederschlägt. Beispiele hierfür sind tragbare Geräte und Elektrofahrzeuge. Aufgrund ihrer effizienten Arbeitsweise machen Schaltregler oft sperrige Kühlkörper überflüssig. Dies ist besonders bei Designs mit begrenztem Platzangebot von Vorteil.
Schaltregler können aufgrund ihres besseren Wirkungsgrads und der geringeren Wärmeableitung kompakter sein. Sie sind jedoch schwieriger zu entwerfen und zu implementieren und erfordern eine Vielzahl von Fähigkeiten, einschließlich digitaler und analoger Steuerung, Magnetik wie auch Platinenlayout. Bei einem vor gegebenen Leistungsniveau erfordert die Steigerung der Effizienz eines Designs in der Regel eine höhere Komplexität mit zusätzlichen Komponenten und höheren Kosten.
Die schellen Schaltvorgänge können zu Störspannungen führen, welche zu elektromagnetischen Störungen (EMI) führen können, Die benachbarte Komponenten beeinträchtigen können. Der Entwickler muss auf die Platzierung der Komponenten, die Erdung und die Leiterbahnführung achten, um die Auswirkungen des Schaltrauschens zu minimieren. Schaltregler werden bevorzugt für Anwendungen eingesetzt, bei denen es ein hoher Wirkungsgrad ausschlaggebend ist, z. B. bei Stromversorgungen für Server, Computer und industrielle Prozesssteuerung. Anwendungen, die mit Batterien betrieben werden, profitieren ebenfalls von der höheren Effizienz, die sich in einer längeren Batterielebensdauer niederschlägt. Beispiele hierfür sind tragbare Geräte und Elektrofahrzeuge. Aufgrund ihrer effizienten Arbeitsweise machen Schaltregler oft sperrige Kühlkörper überflüssig. Dies ist besonders bei Designs mit begrenztem Platzangebot von Vorteil.
Regler von RECOM
Die Ingenieure von RECOM sind in der Lage, die beste Kombination aus Schalt- und linearen Topologien für spezifische Anwendungen zu entwerfen.
Bei Designs mit höherer Leistung wird die primäre Umwandlung in der Regel mit Schaltreglern durchgeführt, um den Gesamtwirkungsgrad zu maximieren. Die Schaltstufen erzeugen eine Vielzahl von Spannungen, die Lasten direkt versorgen können, wobei für Anwendungsfälle, in denen ein geringer Störpegel erforderlich ist, ein Linearregler in Reihe geschaltet werden kann. Bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch hängt die beste Strategie von der jeweiligen Anwendung ab. Ein einfacher Linearregler ist möglicherweise alles, was erforderlich ist.
In einigen Fällen kann eine Kombination aus geschalteten und linearen Designs das beste Ergebnis liefern. In Abbildung 3 wird ein geregelter Ausgang erreicht, indem ein Linearregler in Reihe mit der +Vout-Phase auf der Sekundärseite einer isolierten Schalttopologie – in diesem Fall ein Gegentaktwandler – geschaltet wird. Dieser Ansatz vereint beide Regler in einem einzigen Gerät, erreicht einen höheren Wirkungsgrad als ein rein lineares Design und wird in einigen der DC/DC-Wandler von RECOM mit niederer Leistung.
In einigen Fällen kann eine Kombination aus geschalteten und linearen Designs das beste Ergebnis liefern. In Abbildung 3 wird ein geregelter Ausgang erreicht, indem ein Linearregler in Reihe mit der +Vout-Phase auf der Sekundärseite einer isolierten Schalttopologie – in diesem Fall ein Gegentaktwandler – geschaltet wird. Dieser Ansatz vereint beide Regler in einem einzigen Gerät, erreicht einen höheren Wirkungsgrad als ein rein lineares Design und wird in einigen der DC/DC-Wandler von RECOM mit niederer Leistung.
Fazit
Schaltregler zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine große Designflexibilität und kleinere Formfaktoren aus, sind jedoch komplexer und die Störspannungen kann EMI-Probleme verursachen. Linearregler zeichnen sich durch Einfachheit, geringe Störspannungen und Kosteneffizienz aus, sind aber weniger effizient und benötigen unter Umständen sperrige Kühlkörper. RECOM kann Ihnen bei der Auswahl der richtigen Kombination von Eigenschaften für alle Arten von Wandlern helfen.
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