Vorteile eines Hybridkonzepts zur Spannungswandlung

Eine elegante Lösung für das Wandeln von hohen Spannungen in niedrige, bietet ein Wandler-IC, der eine Ladungspumpe mit einem synchronen Abwärtswandler in Buck-Topologie kombiniert. So sind Wandlungseffizienzen von mehr als 97% bei der Wandlung von 48 auf 12 V mit einer Schaltfrequenz von 500 kHz möglich.

Im Power-Tipp „Wie eine Zwischenkreisspannung den Wirkungsgrad verbessert“ haben wir uns mit der Anforderung beschäftigt, eine recht hohe Eingangsspannung in eine niedrige Ausgangsspannung zu wandeln.

Wenn Abwärtswandler für eine Spannungswandlung von 48 nach 3,3 V eingesetzt werden, haben Wandler in der Buck-Topologie eine niedrige Wandlungseffizienz. Es wurde im oben genannten Power-Tipp gezeigt, wie ein zweistufiger Wandlungsansatz mit einer Zwischenkreisspannung von beispielsweise 12 V helfen kann, die Wandlungseffizienz zu erhöhen. Hierfür wurden zwei Buck-Schaltregler kaskadiert.

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Eine optimierte und elegante Lösung für das Wandeln von hohen Spannungen in niedrige, bietet ein kombinierter Wandler-IC, der für derartige Anwendungen entwickelt wurde. Bild 1 zeigt den synchronen hybriden Abwärtswandler LTC7821. Er kombiniert eine Ladungspumpe zur Halbierung der Eingangsspannung mit einem synchronen Abwärtswandler in Buck-Topologie. Mit ihm sind Wandlungseffizienzen von mehr als 97% bei der Wandlung von 48 auf 12 V mit einer Schaltfrequenz von 500 kHz möglich.

Mit anderen Architekturen wäre eine derartig hohe Effizienz nur bei viel niedrigeren Schaltfrequenzen möglich. Diese würden größere Induktivitäten erfordern.

Es werden vier externe Schalttransistoren angesteuert. Im Betrieb wird durch die Kapazitäten C1 und C2 die Ladungspumpenfunktion erzeugt. Die hiermit generierte Spannung wird mit der synchronen Buck-Funktion in eine exakt geregelte Ausgangsspannung gewandelt. Um das Störverhalten zu optimieren, wird die Ladungspumpe mit weichen Schaltvorgängen betrieben.

Die Kombination aus Ladungspumpe sowie Buck-Topologie bringt folgende Vorteile: Die Wandlungseffizienz liegt durch die optimale Kombination von Ladungspumpe und synchronem Schaltregler sehr hoch. Die externen MOSFETs M2, M3 und M4 müssen nur geringe Spannungen aushalten.

Außerdem ist die Schaltung klein. Die Spule ist kleiner und günstiger als in einem einstufigen Wandlungsansatz. Die Einschaltzeit beträgt bei diesem Hybrid-Controller bei Schalter M1 und M3: D = 2 * U_out / U_in. Bei M2 sowie M4 berechnet sich die Einschaltzeit mit D = (U_in – 2 * U_out) / U_in.

Bei Ladungspumpen vermuten viele Entwickler eine Leistungsbegrenzung auf nur einige 100 mW. Die hybride Wandlerschaltung mit dem LTC7821 ist für einen Ausgangsstrom bis zu 25 A ausgelegt. Für höhere Leistungen können mehrere LTC7821-Controller parallel geschaltet werden, die sich frequenzsynchronisiert und phasenversetzt die Gesamtlast teilen.

Bild 2 zeigt die typische Wandlungseffizienz bei einer Eingangsspannung von 48 V und einer Ausgangsspannung von 5 V bei unterschiedlichen Lastströmen. Ab etwa 6 A wird eine Wandlungseffizienz von mehr als 90% erreicht. Zwischen 13 und 24 A sogar eine Effizienz von über 94%.

Fazit: Ein hybrider Abwärtsregler bietet eine sehr hohe Wandlungseffizienz bei kleiner Bauform. Er bietet eine interessante Alternative zu einem diskret aufgebauten zweistufigen Schaltregler mit Zwischenkreisspannung und einem einstufigen Wandler, der gezwungen ist, bei sehr geringer Einschaltdauer zu arbeiten.

Wie eine Zwischenkreisspannung den Wirkungsgrad verbessert

* Frederik Dostal arbeitet im Technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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