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. elektronik industrie 5 - 2006 ˙ 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 301ei0506 302ei0506 303ei0506 27