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Grundlagen Buck-Boost-Spannungsregelung mit einem Abwärtsregler

| Autor: Kristin Rinortner

Wird an einem Abwärts-Schaltregler eine negative Ausgangsspannung benötigt, kann derselbe Abwärtsregler in einer Buck-Boost-Topologie konfiguriert werden.

Buck-Boost-Spannungsregelung mit einem Abwärtsregler
Buck-Boost-Spannungsregelung mit einem Abwärtsregler
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)
Elektronische Schaltungen werden typischerweise an geregelten positiven Ausgangsspannungen betrieben, die häufig von Abwärts-Schaltreglern geliefert werden. Wird außerdem eine negative Ausgangsspannung benötigt, kann derselbe Abwärtsregler in einer Buck-Boost-Topologie konfiguriert werden.

Ein Buck-Boost-Schaltregler mit negativer Ausgangsspannung, auch als invertierender Sperrwandler bezeichnet, der mit einem Tastverhältnis von 50 % arbeitet, liefert eine Ausgangsspannung, die vom Betrag gleich der Eingangsspannung ist, aber eine umgekehrte Polarität aufweist.

Dieser Regler besitzt die Fähigkeit, die Ausgangsspannung bei schwankender Eingangsspannung durch Ändern des Tastverhältnisses abwärts („Buck“) oder aufwärts („Boost“) nachzuregeln und so konstant zu halten.

 Bild 1: Vereinfachte Buck-Boost-Schaltung mit Schaltspannung an der Induktivität Bild 1: Vereinfachte Buck-Boost-Schaltung mit Schaltspannung an der Induktivität

Bild 1 zeigt eine vereinfachte Buck-Boost-Schaltung und die Schaltspannung an der Induktivität. Die Ähnlichkeit dieser Schaltung mit einem Standard-Abwärtsregler sollte unmittelbar ersichtlich sein. In der Tat ist sie auch identisch mit einem Abwärtsregler, nur mit dem Unterschied, dass die Polarität von Ausgangsspannung und Masse umgekehrt ist.

Diese Anordnung funktioniert auch bei einem synchronen Abwärtsregler. Damit enden die Ähnlichkeiten mit einem Abwärts- oder einem synchronen Abwärtsregler aber auch schon, denn die Schaltung arbeitet anders als ein Abwärtsregler.

Die Spannungen, die während der FET-Schaltintervalle an der Induktivität anliegen, unterscheiden sich von denen eines Abwärtsreglers. Wie bei einem Abwärtsregler muss das Produkt aus Spannung und Zeit (V-µs-Produkt) ausgeglichen sein, damit eine Sättigung der Induktivität vermieden wird. Während der FET-Einschaltzeit, die in Bild 1 als ton-Intervall angegeben ist, liegt über der Induktivität die volle Eingangsspannung an.

Diese positive Spannung am „punktseitigen“ Ende der Induktivität bewirkt einen rampenförmigen Anstieg des Stromes. Dieser erzeugt während der Einschaltzeit ein bestimmtes V-µs-Produkt über der Induktivität. Während der FET-Ausschaltzeit (tOff) muss die Spannung über der Induktivität ihre Polarität umkehren, um den Stromfluss aufrecht zu erhalten. Dabei wird die Spannung am punktseitigen Ende der Induktivität in den negativen Bereich gezogen.

Der Strom durch die Induktivität sinkt rampenförmig und fließt durch die Last sowie den Ausgangskondensator zurück durch die Diode. Das V-µs-Produkt über der Induktivität während der Ausschaltzeit muss gleich dem V-µs-Produkt während der Einschaltzeit sein. Da UIN und UOUT feste Werte sind, lässt sich der Ausdruck für das Tastverhältnis (D) D = UOUT/(UOUT – UIN) leicht ableiten.

Der Steuerkreis ermittelt das für die Aufrechterhaltung der geregelten Ausgangsspannung erforderliche Tastverhältnis. Für diesen Ausdruck und den Signalverlauf in Bild 1 gilt die Annahme, dass die Induktivität kontinuierlich von Strom durchflossen wird (Continuous-Conduction-Betrieb).

Die Buck-Boost-Induktivität muss mit einem Strom betrieben werden, der größer als der Ausgangslaststrom ist. Dieser ist definiert als IL = IOUT/(1-D) oder einfach als die Summe aus Eingangs- und Ausgangsstrom. Für eine negative Ausgangsspannung, die den gleichen Betrag wie die Ausgangsspannung hat, ergibt sich bei einem Betrieb mit D = 0,5, dass der mittlere Strom durch die Induktivität dem doppelten Ausgangsstrom entspricht.

Interessanterweise gibt es zwei Möglichkeiten zum Anschließen der Rückführungsseite des Eingangskondensators, was sich auf den Effektivwert des durch den Ausgangskondensator fließenden Stromes auswirken kann.

Im Gegensatz zur typischen Kondensatoranordnung zwischen +UIN und GND kann der Eingangskondensator auch zwischen +UIN und –UOUT geschaltet werden. Bei dieser Konfiguration des Eingangskondensators verringert sich der Effektivwert des Stroms durch den Ausgangskondensator.

Wird der Eingangskondensator allerdings an –UOUT angeschlossen, entsteht dadurch ein kapazitiver Spannungsteiler an –UOUT. Dies kann beim Einschalten zu einer positiven Spannungsspitze am Ausgang führen, bevor der Regler zu arbeiten beginnt. Um diesen Effekt zu minimieren, ist es gewöhnlich am besten, den Eingangskondensator wesentlich kleiner zu dimensionieren als den Ausgangskondensator.

 Bild 2: Ein Abwärts-Schaltregler erfüllt in einer Buck-Boost-Konfiguration eine Doppelfunktion Bild 2: Ein Abwärts-Schaltregler erfüllt in einer Buck-Boost-Konfiguration eine Doppelfunktion

Dies ist in der Schaltung in Bild 2 zu sehen. Der Strom durch den Eingangskondensator wirkt abwechselnd als Quelle für den DC-Ausgangsstrom und als Senke für den mittleren Eingangsstrom.

Der ungünstigste Fall für den Effektivstrom stellt sich bei einer niedrigen Eingangsspannung ein, wenn der Eingangsstrom am höchsten ist. Bei der Auswahl der Kondensatoren sollte sorgfältig darauf geachtet werden, dass ihr Serien-Ersatzwiderstand (ESR) nicht zu hoch ist. So sind Keramik- oder Polymerkondensatoren häufig eine geeignete Wahl für diese Topologie.

Es ist ein Regler zu wählen, der einerseits bei der minimalen Eingangsspannung minus eines Dioden-Spannungsabfalls hochläuft. Andererseits muss er im Betrieb einer Spannung von UIN plus UOUT standhalten. Auch der FET und die Diode müssen für diesen Spannungsbereich dimensioniert sein.

Die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt, indem der Rückkopplungswiderstand ausgangsseitig auf Masse gelegt wird, da die negative Ausgangsspannung die Referenzspannung für den Regler bildet.

Durch die sorgfältige Einstellung einiger weniger Bauelementewerte sowie durch geringfügige Schaltungsänderungen kann ein Abwärts-Schaltregler in einer Buck-Boost-Topologie mit negativer Ausgangsspannung eine Doppelfunktion erfüllen.

Der nächste Tipp geht darauf ein, wie man die Welligkeit bei Schaltregler-Stromversorgungen richtig misst.

Von Robert Kollman, Texas Instruments.

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

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