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Schaltregler: Wann wird ein kurzer Puls kritisch?

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Schaltregler: Welche Auswirkungen haben kurze Pulse?
Schaltregler: Welche Auswirkungen haben kurze Pulse? (Bild: VCG)

Im letzten Power-Tipp haben wir besprochen, dass manche Schaltregler einen Tastgrad von 100% zulassen und andere nicht. Es gibt aber auch eine Limitierung beim minimal möglichen Tastgrad. Diese werden wir uns heute genauer ansehen.

Der Tastgrad eines abwärtswandelnden Schaltreglers (Buck-Wandler) entspricht der Ausgangsspannung geteilt durch die Eingangsspannung im nicht lückenden Betrieb (Continuous Current Conduction, CCM). Wenn also der Wert der Ausgangsspannung bei genau der Hälfte der Eingangsspannung liegt, entspräche dies einem Tastgrad von 50%.

Bei reellen Bauteilen und entsprechenden parasitären Verlusten ist dieser Tastgrad leicht unterschiedlich. Als Annäherung ist die einfache Formel für den Tastgrad jedoch ausreichend.

Wenn also eine Ausgangsspannung von 1 V aus einer Versorgungsspannung von 5 V erzeugt werden soll, entspricht dies einem Tastgrad von 20%. Bild 1 zeigt eine Abwärtswandlertopologie mit dem ADP2389. Dieser Schaltregler kann mit einer Schaltfrequenz bis 2,2 MHz schalten. Im Zeitdiagram von Bild 2 kann man erkennen, dass bei einer Schaltfrequenz von 2,2 MHz nur eine Periodendauer T von ca. 450 ns zur Verfügung steht. Danach setzt ein neuer Takt ein.

Die minimale Einschaltzeit (on-time) des ADP2389 liegt bei 100 ns. Eine Spannungswandlung von 5 nach 1 V ist demnach bei einer Schaltfrequenz von 2,2 MHz nicht möglich. Denn dafür würde man einen Tastgrad von 20% benötigen, welcher bei einer Periodendauer von 450 ns einer Einschaltzeit von nur 90 ns entspricht. Diese Zeit liegt unterhalb der minimal spezifizierten Einschaltzeit des Spannungswandlers.

Wenn Sie den ADP2389 dennoch verwenden wollen, um 5 nach 1 V zu wandeln, können Sie die Schaltfrequenz verlangsamen. Dadurch wird die Periodendauer T aus Bild 1 länger und die minimale Einschaltdauer mit 100 ns wird prozentual gesehen weniger. Bei der eingestellten Schaltfrequenz von 2 MHz beträgt die Periode 500 ns. Beim benötigten Tastgrad von 20% wird eine Einschaltzeit von 100 ns gebraucht. Dies ist laut Spezifikation mit dem ADP2389 möglich.

Warum haben Buck-Wandler eine minimale Einschaltzeit?

Warum gibt es eine minimale Einschaltzeit, die das mögliche Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung begrenzt, überhaupt? Dies liegt bei vielen Spannungsreglern an der Tatsache, dass der Spulenstrom während der Einschaltzeit gemessen wird. Dieser Strom wird für den Überstromschutz verwendet.

Bei Wandlern, die nach dem Prinzip der Stromregelung (Current Mode Control) arbeiten, wird der gemessene Spulenstrom auch für die Regelschleife benötigt. Nach einem Schaltübergang muss üblicherweise erst etwas gewartet werden, bis die erzeugten Störungen abgeklungen sind, damit eine verlässliche Strommessung gemacht werden kann. Das benötigt etwas Zeit. Diese Zeit wird ‚blanking time‘ genannt. Besonders bei sehr hohen Schaltfrequenzen im Bereich von mehreren MHz spielt die Länge der minimalen Einschaltzeit eine immer größere Rolle. Heute werden Schaltungen entwickelt, die eine sehr kurze minimale Einschaltzeit ermöglichen.

Bei niedrigen Tastgraden, also bei hoher Eingangsspannung und niedriger Ausgangsspannung in einem abwärtswandelnden Schaltregler, ist die minimal mögliche Einschaltzeit eine kritische Begrenzung. Diese limitiert häufig die maximale Schalfrequenz, mit der eine Spannungswandlung betrieben werden kann.

Schaltregler: Welche Faktoren begrenzen das Tastverhältnis?

Schaltregler: Welche Faktoren begrenzen das Tastverhältnis?

02.12.19 - Die nächsten Power-Tipps beschäftigen sich mit dem Tastverhältnis eines Schaltreglers. Im ersten Teil geht es darum, welche Faktoren das Tastverhältnis bzw. den Tastgrad eines Abwärtswandlers im nicht lückenden Betrieb begrenzen. lesen

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

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