Power-Tipp DC/DC-Wandler: Eine flexible Strombegrenzung hinzufügen

Von Frederik Dostal *

Spannungswandler mit einstellbaren Strombegrenzungen gibt es nur sehr wenige. Eine Lösung ist das Hinzufügen einer separaten, einstellbaren Strombegrenzung. Der LTC7003 eignet sich aufgrund seiner Möglichkeiten zur Überwachung, Begrenzung und Abschaltung von Versorgungsleitungen für viele unterschiedliche Systeme.

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Bild 1: 
Beispielsystem, in welchem der Stromfluss in einen Schaltregler oder aus einem Schaltregler heraus begrenzt werden soll.
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Beispielsystem, in welchem der Stromfluss in einen Schaltregler oder aus einem Schaltregler heraus begrenzt werden soll.
(Bild: ADI)

In einigen Stromversorgungsanwendungen wird eine recht genaue Strombegrenzung benötigt. Entweder um die Energiequelle zu schützen – beispielsweise darf eine Zwischenkreisspannung nicht zu hoch belastet werden, damit sie zuverlässig noch weitere Systemteile mit Spannung versorgen kann – oder auch um eine Last zu schützen, die im Fehlerfall durch einen zu hohen Stromfluss Zerstörungen verursachen kann.

Wenn Sie sich mit dieser Anforderung auf die Suche nach einem passenden DC/DC Wandler machen, werden Sie feststellen, dass es nur sehr wenige Spannungswandler mit einer einstellbaren Strombegrenzung auf dem Markt gibt. Häufig haben diese auch keine besonders hohe Genauigkeit.

In der Regel begrenzen Strombegrenzungen in DC/DC-Wandlern nur den Spulenstrom und nicht den Eingangsstrom oder den Ausgangsstrom des Spannungswandlers. Die Strombegrenzung ist so konzipiert, dass „nur“ der Schaltregler im Fehlerfall vor einer Zerstörung geschützt ist.

Die Strombegrenzung liegt oberhalb des nominal spezifizierten maximalen Ausgangsstromes und hat üblicherweise eine recht geringe Genauigkeit. Zum Schutz des Schaltreglers ist dies ausreichend, zum Gebrauch als einstellbare Strombegrenzung jedoch ungeeignet.

Strombegrenzung hinzufügen: Treiber oder Strommessverstärker?

Eine flexible Lösung ist das Hinzufügen einer recht genau einstellbaren Strombegrenzung mithilfe eines zusätzlichen Bausteins wie dem LTC7003. Je nach Anwendungsfall erreichen Sie eine Genauigkeit von ca. 10%.

Bild 2: 
Hinzugefügte Strombegrenzung mit dem Treiberbaustein LTC7003.
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Hinzugefügte Strombegrenzung mit dem Treiberbaustein LTC7003.
(Bild: ADI)

Der Baustein ist eigentlich ein „High Side NMOS Static Switch Treiber“. Er eignet sich aufgrund seiner einstellbaren Strombegrenzung sowie seiner Stromüberwachungsfunktion hervorragend als Strombegrenzung bei üblichen DC/DC Wandlern. Bild 2 zeigt den Einsatz der LTC7003-Strombegrenzung, um den Ausgangsstrom des DC/DC-Wandlers ADP2370 zu überwachen.

Generell können auch High-Side-Strommessverstärker zum Messen eines kleinen Spannungsabfalls über dem Messwiderstand im Leistungspfad eingesetzt werden. Diese können Ströme sehr genau messen. Nur haben die meisten einen recht kleinen zulässigen Offset-Spannungsbereich zwischen den beiden Strommessanschlüssen.

Wenn Sie jedoch einen derartigen allgemeinen Strommessverstärker in einer Stromversorgung verwenden, in der Kurzschlüsse durch die Last auftreten können, wandert die Spannung zwischen den Sense-Widerständen sehr schnell aus dem zulässigen Bereich heraus.

Hierfür eignet sich eine Lösung wie mit dem LTC7003 besser, bei welchem der Einsatz in einer Spannungsversorgung zulässig ist. Der Baustein ist so konzipiert, dass ein großer Spannungsunterschied an den Sense-Eingängen erlaubt ist.

Bild 3: 
Eine Schaltung mit dem LTC7003, um Strom bei Erreichen einer eingestellten Schwelle zu begrenzen.
Bild 3: 
Eine Schaltung mit dem LTC7003, um Strom bei Erreichen einer eingestellten Schwelle zu begrenzen.
(Bild: ADI)

Der Chip bietet ebenfalls die Möglichkeit, den Leistungspfad durch einen N-Kanal-MOSFET im Leistungspfad (Q1) zu unterbrechen, wenn eine eingestellten Stromschwelle erreicht ist. Bild 3 zeigt eine Lösung mit einem externem N-Kanal MOSFET, der den Leistungspfad unterbricht, wenn eine eingestellte Stromschwelle erreicht ist.

Durch den Ausgang Imon wird eine Spannung ausgegeben, welche proportional zum Stromfluss durch den Sense-Widerstand ist. Es wird hier immer eine Spannung in Bezug zur Systemmasse ausgegeben, welche der Spannung über dem Sense-Widerstand mal den Faktor 20 entspricht. Die Spannung liegt zwischen 0 und 1,5 V.

Diese Spannung lässt sich mit einem zusätzlichen externen Operationsverstärker nutzen, um in den Feedback Pin eines Schaltreglers einzugreifen. Somit kann proportional zur Höhe des Stromes die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers reduziert werden. In Bild 3 ist diese Option in einem optionalen grauen Schaltungsteil gezeigt.

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

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