Power-Tipp Buck-Boost-Spannungswandlung auf die ruhige Art

Buck-Boost-Schaltregler wandeln Spannungen nach oben und nach unten. Hier gibt es unterschiedliche Architekturen. In diesem Power-Tipp zeigen wir, wie Sie getaktete Spannungswandler mit sehr hoher Störfestigkeit (EMV) entwerfen können.

Bei vielen Anwendungen müssen Spannungen nach oben und nach unten gewandelt werden. Beispielsweise wenn ein Eingangsspannungsbereich von 6 bis 24 V verfügbar ist und daraus 12 V generiert werden sollen. Klassische Breitbereichsspannungsversorgungen müssen zu solchen Spannungswandlungen fähig sein.

Es gibt unterschiedliche Spannungswandlungsarchitekturen, welche zum Spannungswandeln nach oben und nach unten in der Lage sind. Diese sind transformatorbasierte Topologien wie beispielsweise ein Flyback-Regler, auch Sperrwandler genannt, die SEPIC-Topologie sowie die ‚vier Schalter Buck-Boost‘-Topologie.

Ein „Vier Schalter Buck Boost“ ist eine sehr elegante Architektur, bei der vier Schalter, jedoch nur eine Induktivität benötigt werden. Bild 1 zeigt das Prinzip dieser Schaltungsart. Die Spule wird durch die vier Schalter immer so angesteuert, dass sich ein abwärtswandelnder Buck-Schaltregler oder auch ein aufwärtswandelnder Boost-Schaltreger ergibt. Die Wandlungseffizienz ist hoch und die Anwendung dieser Schaltungsart ist recht einfach.

Ein getakteter Buck-Boost-Wandler arbeitet mit einer Schaltfrequenz und erzeugt auf internen Leitungspfaden des Spannungwandlers gepulste Ströme. Diese befinden sich entweder auf der Eingangsseite im Buck-Betrieb, wenn die Eingangsspannung höher liegt als die gewünschte Ausgangsspannung, oder auf der Ausgangsseite im Boost-Betrieb, wenn die Eingangsspannung niedriger liegt als die gewünschte Ausgangsspannung.

Silent Switcher: Die EMV optimieren

Mit der Silent-Switcher-Technik lassen sich getaktete Spannungswandler mit sehr gutem EMV-Verhalten entwerfen. Diese Technik teilt die gepulsten Ströme in jeweils zwei Leitungspfade mit einer hohen Symmetrie auf. Dadurch wird die Amplitude der gepulsten Ströme halbiert und durch die Symmetrie heben sich die erzeugten Magnetfelder weitgehend auf.

Bild 2 zeigt die Anwendung dieser Technik bei Buck-Boost-Reglern. In Rot sind die Pfade der gepulsten Ströme dargestellt, deren Magnetfelder sich durch eine symmetrische Anordnung aufheben. In Bild 2 sind insgesamt acht Schalttransistoren dargestellt. Ein Buck-Boost-Regler nach der Silent-Switcher-Technik benötigt wie ein herkömmlicher Buck-Boost-Regler auch nur vier Schalter. Die zusätzlichen Schalter in Bild 2 sollen die symmetrisch gepulsten Strompfade erkennbar machen.

Mit der Kombination aus Buck-Boost-Regler und Silent-Switcher-Technik ist es nun möglich, kombinierte Auf- und Abwärtswandler mit sehr gutem EMV-Verhalten zu entwickeln. Für bestes EMV Verhalten gibt es Reglerbausteine mit integrierten Entkoppelkondensatoren, welche als Silent Switcher 2 bezeichnet werden.

Diese Kondensatoren aus Bild 2 sind im Halbleiter in Bausteinen wie dem LT8350S bereits integriert. Das reduziert die parasitären Effekte in den Pfaden der gepulsten Ströme und reduziert so die elektromagnetische Abstrahlung noch weiter im Vergleich zu Bausteinen, die externe Entkoppelkondensatoren verwenden. Eine verfügbare Version mit externen Entkoppelkondensatoren ist der LT8350.

Bild 3 zeigt eine Schaltung mit dem Buck-Boost-Schaltregler LT8350S. Dieser Baustein kann einen Schalterstrom bis zu 6 A führen und hat einen Eingangsspannungsbereich von 3 bis 40 V. Um die Störstrahlung noch weite zu reduzieren, ist es optional möglich SSFM (Spread Spectrum Frequency Modulation) zu verwenden. Die Schaltung in Bild 3 zeigt das kostenfrei verfügbare LTspice Simulationsmodell mit externer Beschaltung.

Buck-Boost-Schaltregler eignen sich für Spannungswandler, die Spannungen nach oben sowie nach unten wandeln müssen. Durch neue integrierte Schaltungen wie dem LT8350S haben Entwickler die Möglichkeit, diese Topologie in der Silent-Switcher-Technik auszuführen, um so getaktete Spannungswandler mit sehr hoher Störfestigkeit zu entwerfen. (kr)

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* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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