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LEISTUNGSELEKTRONIK/STROMVERSORGUNG
DC/DC-Wandler: Buck, Boost, Buck-Boost
Stets die richtige Spannung
In Mobiltelefonen kommen bis zu 15 verschiedene Spannungen zum Einsatz und
es werden immer mehr. Auch auf vielen industriellen Boards sind heutzutage
vermehrt Klein(st)leistungs-Wandler zur Erzeugung der jeweils nötigen Gleichspannungen untergebracht.Vor allem in batterie- bzw. akkubetriebenen Geräten
ist ein hoher Wirkungsgrad bei der Spannungswandlung von systemkritischer
Bedeutung. elektronik industrie stellt die neusten DC/DC-Wandler für den
unteren Leistungsbereich vor und gibt Hintergrund-Infos.
Mittlerweile kommen Buck-Boost-Wandler (siehe Kasten auf S. 27) immer häufiger
zum Einsatz – und zwar auch in Anwendungen, bei denen eigentlich nur eine
Spannungsabsenkung erforderlich ist. Ein
typisches Beispiel hierfür ist der Einsatz
einer Festplatte in einem tragbaren und damit batterie- bzw. akkubetriebenen Gerät,
bei der im normalen Betrieb stets die Batteriespannung auf die Betriebsspannung
der Schaltung (inklusive Harddisk) gesenkt
werden muss, was in erster Näherung ein
klassischer Anwendungsfall für einen BuckWandler ist. Da die Spannung jedoch beim
Einschalten des Festplattenlaufwerks kurzzeitig stark absinkt, ist ein Buck-BoostWandler erforderlich. Auch in diversen anderen Anwendungen besteht die Gefahr,
Bild 1: Je nachdem, ob sich der TPS63000 gerade im Buck- oder im Boost-Modus befindet, arbeiten die MOSFETs Q1 bis Q4 unterschiedlich.
Im Buck-Modus schalten nur Q1 und Q2,während
Q3 dauernd sperrt und Q4 permanent leitet.
Im Boost-Modus wiederum schalten Q3 und Q4
permanent, während Q1 dauernd leitet und Q2
dauernd sperrt. Wenn ein solcher MOSFET im
Dauerzustand „Ein“ ist, dann treten keine Schaltverluste auf, so dass sich nur die Durchgangswiderstände auswirken. Grafik: Texas Instruments
˘ AUTOR
Alfred Vollmer,
Redaktion
elektronik industrie
26
Bild 2: Im BurstMode-Betrieb nimmt der LTC3532
einen Ruhestrom von 35 μA auf, während der
Strom im Shutdown-Zustand unter 1 μA liegt.
Grafik: Linear Technology
dass die Spannung zumindest kurzzeitig „in
die Knie geht“, so dass Buck-Boost-Wandler oft die erste Wahl sind.
lösung, da die Bauhöhe erheblich geringer
ist als bei den sonst erforderlichen 4,7-μHSpulen“, erklärt Uwe Mengelkamp.
Texas Instruments: Buck-Boost
Linear Technology: Buck-Boost
TI liefert jetzt einen Buck-Boost-Wandler,
der vor allem mit dem Ziel entwickelt wurde,die Betriebsdauer von tragbaren Geräten
mit Einzellen-Lithium-Ionen-Akkus zu verlängern. Der TPS63000 genannte DC/DCWandler arbeitet mit einem Wirkungsgrad von bis zu 96 % über einen weiten
Eingangsspannungsbereich von 1,8 V bis
5,5 V und erzeugt dabei einen Ausgangsstrom von bis zu 1,2 A.
„Der neue Buck-Boost Wandler TPS63000
ermöglicht im Vergleich zu einem StandardAbwärts-Wandler mit 3,3 V-Ausgang eine
bis zu 28 % längere Betriebszeit“, erläutert
Uwe Mengelkamp, Worldwide Director
DC/DC Converters bei Texas Instruments.
„Außerdem nimmt der Baustein einen Ruhestrom von weniger als 50 μA auf und bietet zusätzliche Stromspar-Eigenschaften.So
wechselt der TPS63000 bei niedrigem Energiebedarf in einen Stromsparmodus, der
deaktiviert werden kann,wodurch der Wandler gezwungen wird,mit einer festen Schaltfrequenz zu arbeiten.“ Darüber hinaus kann
der Wandler auch deaktiviert werden, um
das Entladen der Batterie zu minimieren.
Beim Ausschaltvorgang wird die Last vollständig von der Batterie getrennt.
Der in einem 3 x 3 mm2 „großen“ zehnpoligen Gehäuse des Typs QFN PowerPAD
untergebrachte Baustein basiert auf einer PWM-Technik mit fester Frequenz und
arbeitet mit synchroner Gleichrichtung.
„Da der TPS63000 lediglich eine externe Induktivität von 2,2 μH benötigt, ermöglicht
er die Realisierung der kleinsten Gesamt-
Linear Technology hat mit dem LTC3532
einen neuen synchronen Buck-Boost-Wandler auf den Markt gebracht, dessen Oszillator zwischen 300 kHz und 2 MHz programmierbar ist.Bei maximal 93 % Wirkungsgrad
erzeugt der LTC3532 aus einer Eingangsspannung zwischen 2,4 und 5,5 V eine Ausgangsspannung von 2,4 V bis 5,25 V, die bis
zu 500 mA belastbar ist. Der automatische
BurstMode-Betrieb ermöglicht dem Anwender die Programmierung der Laststromschwelle, ab welcher der BurstMode
einsetzt. Der BurstMode-Betrieb erfordert
einen Ruhestrom von lediglich 35 μA, während der Strom im Shutdown-Zustand unter 1 μA liegt. Als Gehäuse dient ein 3 mm
x 3 mm „großes“, thermisch verbessertes
DFN oder ein MSOP-10.
Siliconix: Boost
Erheblich preisgünstiger als Buck-BoostWandler sind reine Boost-Wandler, die
durchaus die optimale Wahl sein können,
wenn beispielsweise lediglich eine oder
zwei NiMH-Zellen zum Einsatz kommen.
Vishay Siliconix hat jetzt neue Boost-Wandler-ICs auf den Markt gebracht, die bei
85 % Wirkungsgrad am Ausgang zwischen
1 mA und 500 mA liefern. Dabei dürfen am
Eingang zwischen 0,85 V und 5 V anliegen.
Je nach Typ stellen die ICs am Ausgang
Spannungen von 2 V, 3,3 V, 5 V oder eine
zwischen 2 V und 5 V einstellbare Spannung zur Verfügung. Das SiP12502 liefert
5 V am Ausgang, das SiP12503 die variable
Spannung zwischen 2 und 5 V.
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˙
DEFINITION, GRUNDLAGEN, BESONDERHEITEN
Buck
Im Deutschen bezeichneten wir BuckWandler früher als Tiefsetzsteller, heute
kurz als Abwärtswandler, was auch dem
englischen Step-Down Converter entspricht,
denn Buck-Wandler sorgen dafür,dass aus
einer höheren Spannung eine niedrigere
Spannung wird,so dass beispielsweise aus
5 V eine Spannung von 3,3 V wird.
Boost
Der Boost-Wandler arbeitet genau anders
herum,denn es handelt sich um einen Aufwärtswandler (Step-Up Converter),der die
Spannung erhöht (z. B.von 2,4 V auf 3,3 V).
Buck-Boost
Ein Buck-Boost-Wandler kombiniert diese
beiden Wandler in einem Gehäuse,so dass
der Anwender sich keine Gedanken mehr
machen muss,ob die Spannung jetzt erhöht
oder verringert werden muss: Der Versorgungsspannungsbereich reicht somit von
einem Wert (erheblich) unterhalb der SollAusgangsspannung bis zu einer Spannung
(erheblich) über der Ausgangsspannung.
Problematisch ist dabei stets der Übergangsbereich zwischen Buck- und BoostBetrieb. Schaltungstechnisch ist das kein
Problem,aber der Wirkungsgrad leidet vor
allem rund um diesen Übergabepunkt,so
dass in der Wirkungsgradkurve über der
Spannung an dieser Stelle meist ein deutliches Tal erkennbar ist.
Die Kunst beim Design eines Buck-BoostWandlers besteht vor allem darin,den Wirkungsgrad über einen breiten, praxisrelevanten Eingangspannungsbereich hinweg
möglichst hoch zu halten.Vor allem beim
Einsatz in tragbaren und damit akku- bzw.
batteriegespeisten Geräten kann dieser
Unter leichter Last kann das IC automatisch
zwischen PWM-Betrieb und PFM-Modus
umschalten,um so den bestmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen. Im Shutdown-Modus nimmt das gegen Überspannung und
Übertemperatur geschützte IC weniger als
1 μA auf. Auch der externe BauelementeAufwand hält sich in Grenzen,weil zur Realisierung eines kompletten Aufwärtswandlers jeweils nur vier zusätzliche Bauteile
notwendig sind:eine Induktivität,eine Dio-
elektronik industrie 5 - 2006
Aspekt zum alles entscheidenden Faktor
werden.
Eingangspannung
Mit zunehmender Entladung sinkt bekanntlich die Spannung eines Akkus immer weiter ab. Mit dem Erreichen der
unteren Eingangsspannung des (Buck-)Boost-Wandlers ist der Akku aus Sicht
der Applikation total entladen. Je tiefer
die untere Eingangsspannung liegen darf
und je breiter der praxisrelevante Eingangsspannungsbereich ist, umso länger kann ein Akku genutzt werden bevor
er wieder geladen werden muss. Mit dem
passenden DC/DC-Wandler lässt sich somit oft noch einiges aus einem (ansonsten „leeren“) Akku herausholen.
Gleichzeitig können erweiterte Spannungsbereiche dafür sorgen, dass zuvor
für die Praxis unrelevante Batterie- bzw.
Akkutechnologien plötzlich attraktiv
werden. So dürften beispielsweise die Lithium-Ionen-Akkus bald Konkurrenz bekommen, weil die DC/DC-Wandler mittlerweile auch den Anforderungen der
Entladekennlinie von Lithium-Magnesium-Akkus gerecht werden.
Während Li-Ionen-Zellen über einen breiten Entlade-Bereich hinweg eine fast
konstante Spannung abgeben, nimmt
die Spannung von LiMg-Zellen mit abnehmender Restladung viel stärker ab,
was aber mit dem passenden DC/DCWandler wieder aufgefangen werden
kann. Da LiMg-Akkus nicht nur eine höhere Energiedichte aufweisen, sondern
auch sicherheitstechnisch leichter zu
handhaben sind, werden diese Akkus in
Zukunft sicherlich öfter zum Einsatz
kommen.
de und zwei Kondensatoren. Die BoostWandler-ICs sind in einem thermisch verbesserten sechspoligen PowerPAK MLP33
(DFN-6, 3x3) untergebracht.
˘
infoDIRECT
www.elektronik-industrie.de
˘ Texas Instruments
˘ Linear Technology
˘ Vishay Siliconix
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