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Power Management Der Nutzen von Schaltreglern 
bei erhöhten Spannungen

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal ist bei Analog Devices in München im technischen Bereich für Power Management in Industrieanwendungen zuständig. / Kristin Rinortner

Um Gleichspannungen in andere Gleichspannungen effizient umzuwandeln werden meist Schaltregler verwendet. Wir zeigen, wie man den zulässigen Spannungsbereich erhöhen kann.

Bild 2: Verschiedene Möglichkeiten, eine reduzierte Spannung für die Versorgung des Vin-Pins eines Schaltreglers zu erzeugen
Bild 2: Verschiedene Möglichkeiten, eine reduzierte Spannung für die Versorgung des Vin-Pins eines Schaltreglers zu erzeugen
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)
Um Gleichspannungen in andere Gleichspannungen effizient umzuwandeln werden meist Schaltregler verwendet. Diese sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Ein besonderes Unterscheidungsmerkmal ist der zulässige Spannungsbereich. Wir zeigen, wie man diesen erhöhen kann.
 Bild 1: Prinzipschaltung eines Aufwärtswandlers (auch Boost-Regler genannt) mit erweitertem Eingangsspannungs- sowie Ausgangsspannungsbereich Bild 1: Prinzipschaltung eines Aufwärtswandlers (auch Boost-Regler genannt) mit erweitertem Eingangsspannungs- sowie Ausgangsspannungsbereich

Bei Abwärtsreglern, auch Buck-Regler genannt, ist es schwierig den zulässigen Spannungsbereich zu erhöhen. Dies ist durch den vorkommenden oberen Schalttransistor bedingt. Der Treiber für diesen Schalter muss die maximal zu erwartende Eingangsspannung vertragen können. Somit ist eine Erweiterung des Eingangsspannungsbereiches mit erheblichem Aufwand verbunden.

Bei Aufwärtsreglern, auch Boost-Regler genannt, gibt es einfache Möglichkeiten einen vorhandenen Schaltregler für höhere Spannungsbereiche am Eingang sowie am Ausgang zu erweitern. Eine solche Erweiterung kann sinnvoll sein, wenn Schaltreger für den nächst höheren Spannungsbereich wesentlich teurer sind oder wenn ein bereits verwendeter Schaltregler in seinem Verhalten bereits gut verstanden ist und für ein kleineres Entwicklungsprojekt ein erhöhter Eingangsspannungsbereich oder Ausgangsspannungsbereich benötigt wird.

Bild 1 zeigt den Schaltregler ADP1612 von Analog Devices. Es ist ein kleiner Hochsetzsteller, der bei einer Schaltfrequenz bis zu 1,3 MHz arbeitet und für einen maximalen Schaltstrom von 1,4 A ausgelegt ist. Der Eingangsspannungsbereich des Reglers liegt zwischen 1,8 und 5,5 V. Die Ausgangsspannung kann bis höchstens 20 V eingestellt werden.

Soll nun die Eingangsspannung 9 V betragen und die Ausgangsspannung 30 V, kann ein solcher Schaltregler mit der passenden externen Beschaltung dennoch eingesetzt werden. Im ersten Schritt muss die Versorgungsspannung für den IC angepasst werden. Nachdem der Pin Vin nur maximal 5,5 V verträgt, muss man die Versorgungsspannung von 9 V herabsetzen. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Es kann ein einfacher Widerstandsteiler von den 9 V nach Masse verwendet werden. Bild 2 zeigt diese Schaltung ganz links. Zwischen den beiden Widerständen wird die Versorgung für den Pin Vin abgegriffen. Hierbei verändert sich jedoch die Spannung an Vin je nach Versorgungsspannung, in unserem Beispiel 9 V.

 Bild 2: Verschiedene Möglichkeiten, eine reduzierte Spannung für die Versorgung des Vin-Pins eines Schaltreglers zu erzeugen Bild 2: Verschiedene Möglichkeiten, eine reduzierte Spannung für die Versorgung des Vin-Pins eines Schaltreglers zu erzeugen

Ebenfalls verändert sich die Spannung an Vin je nach der Höhe des Versorgungsstroms welcher in den Vin-Pin fließt. Um diese Einflüsse zu reduzieren, kann man einen Stromeinstellwiderstand und eine Zener-Diode, wie in Bild 2 in der Mitte gezeigt, verwenden. Hier ist die Spannung an Vin weitgehend konstant. Die Zener-Diode ist für 5,1 V ausgelegt. Wenn besonders bei sehr hohen Versorgungsspannungen eine höhere Effizienz gewünscht wird, kann man den Stromfluss durch die Zener-Diode stark reduzieren, indem man zusätzlich einen Transistor spendiert. Bild 2 zeigt rechts auch diese Möglichkeit zur Versorgung des Vin-Pins eines Hochsetzstellers. Durch diese Hilfsschaltungen kann der ADP1612 also bei 9-V-Versorgungsspannung betrieben werden.

Wenn die zu erzeugende Spannung 30 V sein soll, was oberhalb der maximal möglichen Ausgangsspannung von 20 V des ADP1613 liegt, gibt es auch eine Möglichkeit der Ausgangsspannungserweiterung. Es kann ein externer Schalter zusätzlich zum bereits vorhandenen Schalter im ADP1613 eingesetzt werden. Dieser ist in Bild 1 gezeigt. Er schützt gewisser maßen den SW-Pin vor Spannungen oberhalb von seiner maximal erlaubten Spannung. Der Transistor Q1 muss für die Höhe der gewünschten Ausgangsspannung ausgelegt sein.

In unserem Fall wählen wir T1 als 40-V-Transistor bei einer Ausgangsspannung von 30 V. Der Transistorstrom fließt in dieser Schaltung ebenfalls durch den internen Schalter des ADP1612. Somit muss der externe Transistor T1 mindestens für den gleichen Strom wie der interne Schalter ausgelegt sein, damit die Strombegrenzung des Schaltreglers die ganze Schaltung schützen kann.

Ob eine Erhöhung der Spannungen bei einem Schaltregler in Anwendungen sinnvoll ist, hängt von vielen Parametern ab. Es ist aber immer zweckmäßig, sich dieser Möglichkeit bewusst zu sein.