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Grundlagen Sieben Tipps zum Entwurf von Schaltreglern mit Speicherdrosseln

| Autor / Redakteur: Alexander Gerfer, Werner Wirth. / Kristin Rinortner

Der Entwurf eines Schaltreglers wird durch Softwaretools und Demoboards sowie Musterkits von Speicherdrosseln recht gut unterstützt. Wir geben eine kurze Anleitung, was beim Einsatz von Speicherdrosseln zu beachten ist.

Bild: Siegfried Springer@pixelio
Bild: Siegfried Springer@pixelio
(Bild: Siegfried Springer@pixelio)

Schaltregler gewinnen dank ihrer hohen Wirkungsgrade zunehmend an Bedeutung. Der Trend geht hier zu Reglern mit Ausgangsspannungen kleiner als 1 V und Lastströmen bis zu 60 A und Taktfrequenzen bis zu 2 MHz. Gleichzeitig fordern Anwender kleinstmögliche Bauformen.

Das Schaltreglerdesign wird durch entsprechende Software zum Beispiel von Texas Instruments (Webench/SWIFT/TPS40K Designer) oder Linear Technology (Switcher CAD III) bis hin zu individuell bestückten Demoboards unterstützt. Passende SMD-Speicherdrossel-Musterkits von Würth Elektronik bieten einen schnellen Zugriff auf verschiedene Bauteile für eigene Musteraufbauten oder Optimierungen. Doch was ist beim Einsatz von Speicherdrosseln zu beachten?

Die Schaltfrequenz marktüblicher Wandler-IC liegt heute im Bereich 100 kHz bis 2 MHz. Regler der ersten Generation arbeiten im Bereich 30 kHz bis 55 kHz. Daraus resultieren folgende Empfehlungen, die wir in sieben Punkten zusammengefasst haben.

Tipp 1:

Geeignete Kernmaterialien für Schaltfrequenzen <100 kHz sind Eisenpulver und Ferrit. Für Schaltfrequenzen >100 kHz eignet sich als Kernmaterial nur Ferrit.

Der Induktivitätswert

Steht keine Software zur Berechnung zur Verfügung, kann die Induktivität anhand folgender Praxis-Formeln berechnet werden.

Abwärtsregler:

Abwärtsregler_neu

 

 

Aufwärtsregler:

Aufwärtsregler_neu

 

 

Mit den Ripplestrom-Faktoren 0,2 bis 0,4 (hier zu 0,2 bzw. 0,3 gewählt). Iout ist der Betriebsstrom der zu versorgenden Schaltung, Uout die Ausgangsspannung und Uin die Eingangsspannung, f ist die Schaltfrequenz des Regler-IC. Anhand des errechneten Wertes werden entsprechende Normwerte ausgesucht, daraus ergibt sich zu Beispiel die folgende Berechnung:

37,36 µH so wählt man für Tests die Normwerte 33 µH, 39 µH und ggf. noch 47 µH.

Tipp 2: Induktivitätswert

Eine größere Induktivität führt zu einem kleinerer Ripplestrom, eine kleinere Induktivität bedingt einen größeren Ripplestrom.  Der Ripplestrom bestimmt maßgeblich die Kernverluste. Daher ist er neben der Schaltfrequenz ein wichtiger Parameter zur Minimierung der Verlustleistung der Speicherdrossel.

Die Spulenströme

Die Strombelastung der Speicherdrosseln kann über die Simulationssoftware der Hersteller sehr genau nach DC-Strombelastung und Ripplestrombelastung (Kernverluste) berechnet werden. Als überschlägige Rechnung können Sie folgenden Ansatz wählen:

Abwärtswandler:

Nennstrom der Induktivität: IN = Iout

Maximaler Spulenstrom: Imax = 1,5 x IN Aufwärtswandler:

Nennstrom der Induktivität:  IN = (Uout/Uin) Iout

Maximaler Spulenstrom: Imax = 2 x IN Tipp 3:

Bitte beachten Sie die Definitionen zu den Datenblattangaben. Der Nennstrom von Speicherdrosseln ist in der Regel mit der Angabe der Eigenerwärmung bei DC-Strom verknüpft – hier sind Eigenerwärmungen von 40 °C bei Nennstrom üblich. Der Sättigungsstrom ist laut Forderung der Halbleiterhersteller der Punkt, bei dem der Induktivitätswert um 10% gefallen ist. Leider ist dies kein Normwert für Datenblattangaben zu Speicherdrosseln und führt beim Anwender häufig zu Fehlinterpretationen.

Der DC-Widerstand

Sind die geforderten Werte für Induktivität L und die Spulenströme berechnet, wählt man möglichst eine Speicherdrossel mit minimalem DC-Widerstand. Hier treffen dann häufig gegenläufige Forderungen aufeinander: Kleine Bauform, hohe Energiespeicherdichte und kleiner DC-Widerstand.

Durch geeignete Wicklungsmethoden und neue Baureihen wie zum Beispiel Flachdraht-Induktivitäten WE-HC von Würth Elektronik kommen Sie diesem Ideal schon sehr nahe. Zu beachten ist auch hier die Datenblattdefinition. Ist der DC-Widerstand als typischer Wert angegeben oder als maximaler Wert, der für die Berechnung der Schaltung unter worst-case-Bedingungen benötigt wird?

Tipp 4: DC-Widerstand bei gleicher Baugröße

Eine größere Induktivität führt zu einem größerenr DC-Widerstand, eine kleinere Induktivität zu einem kleineren DC-Widerstand. Die gleiche Induktivität bei geschirmter Drossel bedingt einen kleineren DC-Widerstand.

Der DC-Widerstand bestimmt maßgeblich die Drahtwärmeverluste, dies ist auch ein Parameter zur Minimierung der Verlustleistung der Speicherdrossel.

Bauform und EMV

Für EMV-kritische Applikationen empfehlen sich magnetisch geschirmte Speicherdrosseln. Der außen aufgebrachte Schirmring verhindert die unkontrollierte magnetische Verkopplung der Wicklung mit benachbarten Leiterbahnen oder Bauteilen.

Tipp 5:

Wenn möglich setzen Sie magnetisch geschirmte Speicherdrosseln ein. Führen Sie keine Leiterbahnen unter dem Bauteil und platzieren Sie keine Platinen direkt über dem Bauteil, dadurch sind Verkopplungen über den Rest-Luftspalt möglich.

Für unkritische Anwendungen oder kleinere Schaltleistungen können auch ungeschirmte Speicherdrosseln verwendet werden. Viele Baureihen können sogar Lötpad kompatibel von geschirmter zu ungeschirmter Variante geändert werden.

Tipp 6:

Der Vorteil magnetisch geschirmter Drosseln in gleicher Baugröße liegt in einem höheren AL-Wert. Dadurch treten bei gleicher Induktivität kleinere DC-Widerstände, d.h. kleinere Drahtverluste auf.

Der Nachteil magnetisch geschirmter Drosseln besteht in  etwas erhöhten Kernverluste durch das größere Kernvolumen. Bei richtiger Dimensionierung bleiben die Kernverluste gering.

Der Ausgangs-L-C-Filter

Wird eine sehr saubere Ausgangsspannung benötigt, empfiehlt sich ein L-C-Filter am Ausgang des DC-Wandlers. Die Bauteile können folgendermaßen gewählt werden:

 

 Bild 1: L-C-Filter für eine saubere Ausgangsspannung Bild 1: L-C-Filter für eine saubere Ausgangsspannung
Tipp 7:

- Eckfrequenz zu 1/10 der Schaltreglerfrequenz wählen

- Ausgangskondensator wählen (z.B. 22 µF)

- Induktivität berechnen:

Formel_3_neu_Induktivität