Erzeugung einer hohen DC-Ausgangsspannung aus einer niedrigen Eingangsspannung

Getrieben von tragbaren und Wearable-Anwendungen geht der Trend bei vielen Designs verstärkt in Richtung Versorgungsspannungen von 3,6 Volt oder niedriger. Viele tragbare Geräte verfügen jedoch über spezielle Funktionen, die höhere Spannungen erfordern. Aus diesem Grund müssen Entwickler diese niedrigen Versorgungsspannungen durch die optimale Implementierung von DC/DC-Aufwärtswandlern so effizient wie möglich in höhere Pegel wandeln.

In diesem Artikel werden der Zweck von DC/DC-Aufwärtsreglern und ihre Topologie beschrieben. Er stellt Beispielgeräte vor und geht auf die Methoden und Kompromisse ein, die es zur Entwicklung des optimalen Designs für eine tragbare oder Wearable-Anwendung zu beachten gilt.

Die Funktion von DC/DC-Aufwärtswandlern

In typischen Wearables bzw. anderweitig tragbaren Geräten kommt eine Lithium-Ionen-Zelle mit einer Nennausgangsspannung von 3,6 Volt DC zum Einsatz. Für die meisten batteriebetriebenen Anwendungen werden eine oder mehrere in Reihe geschaltete Lithium-Ionen-Zellen als primäre Spannungsquelle verwendet. Während dies für viele Anwendungen genügt, bieten Laptops, Tablets und andere Mobilgeräte bestimmte Funktionen, für die sehr viel höhere Spannungen benötigt werden.

Beispiele hierfür sind Treiber für Hintergrundbeleuchtungen mit weißen Leuchtdioden (LEDs), HF-Transceiver, analoge Präzisionsschaltkreise und Bias-Schaltungen für die in optischen Empfängern anzutreffenden Avalanche-Photodioden (APDs). Mit einem Aufwärtsregler, der eine niedrige Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung wandelt, können die Entwickler den Anforderungen dieser Anwendungen gerecht werden.

Topologie eines typischen Aufwärtswandlers

Die Hauptkomponenten eines Aufwärtsreglers sind eine Induktivität, ein Halbleiterschalter (meistens ein Leistungs-MOSFET), eine Gleichrichterdiode, ein integrierter Schaltkreis (IC) als Regelblock sowie Eingangs- und Ausgangskondensatoren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Grundlegende Konfiguration eines Aufwärtsreglers mit Stromflussrichtung bei geöffnetem und geschlossenem Schalter (Bildquelle: Digi-Key Electronics, basierend auf Ausgangsmaterial von Texas Instruments)

Bei angelegter V_IN und geschlossenem Schalter fließt ein Strom entlang des blauen Pfades durch die Induktivität zur Masse. Die Induktivität speichert in ihrem Magnetfeld Energie. Die Diode wird in Sperrrichtung betrieben und die Spannung am Ausgangskondensator fällt ab, während die Last mit der gespeicherten Energie versorgt wird.

Umgekehrt fließt der Strom bei geöffnetem Schalter entlang des roten Pfades, während das zusammenbrechende Magnetfeld eine positive Spannung erzeugt und die Energie der Induktivität über die in Durchlassrichtung betriebene Diode überträgt, um den Ausgangskondensator zu laden und die Last zu versorgen.

Durch Variieren des Tastverhältnisses des Leistungsschalters behält der Steuerblock eine konstante Ausgangsspannung in Abhängigkeit von Eingangsspannungsschwankungen und Laständerungen bei. Ein Widerstandsteiler am Ausgang versorgt den Regelblock mit einer Spannungsrückkopplung zur Anpassung des Tastverhältnisses und zur Aufrechterhaltung der gewünschten Ausgangsspannungswerte.

Zusätzlich zu diesen grundlegenden Funktionen bieten integrierte Designs verschiedene Schutzfunktionen gegen Überhitzung, Ausgangskurzschlüsse, offene Lasten, Eingangsüberströme und anderes.

Bei einer gängigen Verbesserung des grundlegenden Schaltkreises wird die Diode durch einen zweiten MOSFET ersetzt. Dieser zweite MOSFET fungiert als Synchrongleichrichter, der eingeschaltet wird, wenn der Stromschalter ausgeschaltet wird. Sein geringer Spannungsabfall verringert die Verlustleistung, wodurch der Wirkungsgrad des Reglers erhöht wird.

Ein synchrones Design stellt für batteriebetriebene Geräte einen Vorteil dar, da ein höherer Wirkungsgrad die Batterielaufzeit verlängert. Des Weiteren ist das Platzangebot von tragbaren Anwendungen und Wearables üblicherweise begrenzt, weswegen sich die hierfür verwendeten Aufwärtswandler häufig durch einen hohen Integrationsgrad auszeichnen. Durch die Integration der Leistungskomponenten in das Gehäuse wird der lieferbare Strom eingeschränkt, was bei batteriebetriebenen Designs jedoch akzeptabel ist. Viele solcher Anwendungen befinden sich für längere Zeit im Abschaltmodus. Von daher ist ein extrem niedriger Ruhestromverbrauch von entscheidender Bedeutung.

Der TPS610993YFFT vonTexas Instruments ist ein Beispiel für einen stromsparenden Aufwärtsregler (Abbildung 2). Diese synchrone Komponente nimmt lediglich einen Ruhestrom von einem Mikroampere (µA) auf, liefert jedoch bis zu 800 Milliampere (mA) und erzeugt eine Ausgangsspannung von 3,0 Volt bei einer Eingangsspannung von nur 0,7 Volt. Die Komponente maximiert den operativen Wirkungsgrad bei geringen Lasten. Sie kann entweder mit einer Alkalibatterie oder einer wiederaufladbaren Batterie wie beispielsweise einem NiMH- oder einem Lithium-Ionen-Akku betrieben werden.

Abbildung 2: Die TPS61099x-Familie liefert bei einer Eingangsspannung von 0,7 Volt eine Spannung von bis zu 5,5 Volt. (Bildquelle: Texas Instruments)

Beim TPS610993 wurden Stromschalter und Synchrongleichrichter in ein 6-poliges chipgroßes Gehäuse (WCSP) integriert, das nur 1,23 x 0,88 Millimeter misst. Aufgrund seiner geringen Größe eignet sich die Komponente für optische Herzfrequenzmesser, Bias-Treiber für LCD-Datenspeicher und vergleichbare Anwendungen mit begrenzten Platzverhältnissen. Die Komponente gehört zur TPS61099x-Produktfamilie mit einem Ausgangsspannungsbereich von 1,8 Volt bis 5,5 Volt.

Um für die Blitzlichtschaltkreise von Smartphones oder batteriebetriebene LED-Beleuchtungen höhere Spannungen zu erzielen, verfolgt Microchip Technology mit demMCP1665 einen anderen Ansatz: In der Komponente kommt ein 100 Milliohm (mΩ) NMOS-Schalter für 36 Volt zum Einsatz, wobei jedoch eine externe Diode in einer nicht synchronen Topologie verwendet wird.

Abbildung 3: Der MCP1665 von Microchip kann mit einem Lithium-Ionen-, NiMH- oder NiCd-Akku bis zu 32 Volt erzeugen. (Bildquelle: Microchip Technology)

Diese Komponente liefert bei einer Versorgungsspannung von 5 Volt einen Strom von bis zu 1000 Milliampere und bietet Funktionen wie eine geregelte Startspannung, verschiedene Betriebsmodi und eine Schaltfrequenz von 500 Kilohertz (kHz). Die Spitzenstromarchitektur erzielt über einen großen Lastbereich einen hohen Wirkungsgrad.

Bei manchen aufwärtsregelnden Anwendungen liegt das primäre Konstruktionsziel nicht darin, die Ausgangsspannung auf einem Sollwert zu halten. Im Treiber einer LED-Hintergrundbeleuchtung ist die gewünschte LED-Helligkeit eine Funktion des durch die LED-Kette fließenden Stroms. Der durch einen Shunt-Widerstand fließende Strom liefert die Rückkopplungsspannung für den Controller und legt die Spannungserhöhung fest. Der AP3019AKTR-G1 von Diodes Incorporated ist ein Beispiel für einen Aufwärtswandler, der zur Ansteuerung einer Kette aus bis zu acht LEDs für Hintergrundbeleuchtungen optimiert wurde (Abbildung 4).

Abbildung 4: Bei einer typischen Schaltfrequenz von 1,2 MHz bietet der AP3019A-Treiber spezielle Funktionen zur Regelung der Helligkeit einer LED-Kette zur Hintergrundbeleuchtung. (Bildquelle: Diodes Incorporated)

Die für Anwendungen mit begrenzten Platzverhältnissen optimierte Komponente enthält sowohl den Stromschalter als auch die Diode. Eine Schaltfrequenz von 1,2 MHz gestattet die Verwendung winziger externer Komponenten. Der AP3019A liefert in einem SOT23-6-Gehäuse bis zu 550 mA.

Der CTRL-Pin ist ein spezieller Schalt- und Dimmeingang: Durch das Anlegen einer Spannung von 1,8 Volt oder höher wird die Komponente eingeschaltet. Bei einer Spannung von 0,5 Volt oder weniger wird sie ausgeschaltet. Ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal erlaubt die Implementierung einer LED-Helligkeitsregelung.

Tipps zur Optimierung des Wirkungsgrads

Bei manchen der genannten Komponenten wurden einige der Parameter bereits vom Hersteller eingestellt. Einem Entwickler stehen normalerweise jedoch verschiedene Kompromisse zur Verfügung, um den Wirkungsgrad der Umwandlung zu optimieren. Des Weiteren ist darauf zu achten, die passenden externen Komponenten gemäß der folgenden Richtlinien auszuwählen.

Schaltfrequenz: Obwohl sich die Schaltfrequenz nicht direkt auf die Ausgangsspannung auswirkt, hat sie doch erhebliche Auswirkungen auf das Design der Stromversorgung. Im Allgemeinen ermöglicht eine höhere Schaltfrequenz für eine bestimmte Anwendung die Verwendung einer kleineren Induktivität und kleinerer Kondensatoren. Die Größe der Induktivität wird hauptsächlich durch den Betrag des zulässigen Brummstroms bestimmt. Für eine vorgegebene Induktivität nimmt der Brummstrom mit steigender Schaltfrequenz ab. Da einem Entwickler verschiedene Komponenten zur Verfügung stehen, kann er statt auf eine höhere Schaltfrequenz auf eine kleinere Induktivität setzen, ohne dadurch den Wert des Brummstroms zu verändern.

Durch den Betrieb bei höheren Frequenzen vergrößert sich die Bandweite des Schaltreglers, wodurch die Einschwingzeit verkürzt wird. Die kleinere Induktivität verringert außerdem Größe und Kosten der Spannungsversorgung.

Wahl der Induktivität: Die Induktivität ist eine Hauptkomponente des Aufwärtsreglers. Solange der Stromschalter eingeschaltet ist, speichert die Induktivität Energie. Ist der Stromschalter ausgeschaltet, überträgt sie über die Ausgangsgleichrichterdiode Energie an den Ausgang.

Der Entwickler muss sich zwischen einem geringen Brummstrom in der Induktivität und einem hohen Wirkungsgrad entscheiden. Bei einer fest vorgegebenen physischen Größe hat eine kleinere Induktivität einen höheren Sättigungsstrom und einen geringeren Reihenwiderstand. Die geringere Induktivität hat jedoch höhere Spitzenströme zur Folge, die wiederum den Wirkungsgrad senken sowie Brummstrom und Rauschen erhöhen können.

Bei der Auswahl einer geeigneten Induktivität ist darauf zu achten, dass der Sättigungsnennstrom größer als der Spitzenstrom und der effektive Nennstrom größer als der maximale DC-Eingangsstrom zum Regler ist.

Die meisten Datenblätter von Aufwärtsreglern enthalten Empfehlungen zur Induktivität für verschiedene Lastströme und -spannungen. Das Datenblatt des MCP1665 von Microchip (siehe oben) empfiehlt für Ausgangsspannungen unter 15 Volt die Induktivität ELL-8TP4R7NB von Panasonic Electronic Components mit 4,7 Mikrohenry (µH), für höhere Ausgangsspannungen jedoch die Induktivität 7447714100 von Würth Elektronik mit 10 µH.

Auswahl der Diode

In einem nicht synchronen Design sollte zur Verringerung von Verlusten eine Schottky-Diode verwendet werden, die eine niedrigere Durchlassspannung aufweist. Der durchschnittliche Durchlassnennstrom der Diode muss mindestens so hoch wie der maximale Ausgangsstrom sein. Der periodische Spitzen-Durchlassnennstrom der Diode muss mindestens so hoch wie der Spitzenstrom der Induktivität sein und die Durchbruchspannung der Diode in Sperrrichtung muss höher als die Nennspannung des internen Stromschalters sein.

Der MCP1665 beispielsweise hat einen internen 36-Volt-Schalter und liefert bis zu 1 Ampere. Microchip empfiehlt daher die Schottky-Diode STPS2L40VU von STMicroelectronics, eine Komponente mit einer Durchbruchspannung in Sperrrichtung von 40 Volt und einem Durchlassstrom von 2 Ampere.

Bei hohen Temperaturen kann der Leckstrom der Diode außerdem beträchtliche Auswirkungen auf den operativen Wirkungsgrad des Wandlers haben. Verwenden Sie bei hohen Strömen und hohen Umgebungstemperaturen eine Diode mit guten Thermoeigenschaften.

Eingangs- und Ausgangskondensatoren: In der Aufwärtstopologie gleicht die Induktivität die transienten Anforderungen aus, die an den Stromschaltkreis des Reglerschaltkreises gestellt werden, wodurch die erforderliche Eingangsfilterung verringert wird. Ein X5R-Keramikkondensator ist für eine Betriebstemperatur von +85 °C häufig ausreichend. Für eine Betriebstemperatur von +125 °C können jedoch X7R-Kondensatoren mit einem niedrigen Serienersatzwiderstand erforderlich sein.

Ist die Impedanz der Stromquelle zu hoch, um die Eingangsspannung bei hohen Lastschritten über dem Grenzwert für die Unterspannungsabschaltung zu halten, kann unter Umständen außerdem ein zusätzlicher Elektrolyt- oder Tantal-Kondensator benötigt werden.

Lastseitig verringert der Ausgangskondensator die von der Last verursachte Welligkeit und trägt dazu bei, die Ausgangsspannung während der Lastschwankungen zu stabilisieren. Als Ausgangskondensator wird ein X7R-Keramikkondensator empfohlen. Andere Typen weisen eventuell einen hohen Serienersatzwiderstand auf, der den Wirkungsgrad des Wandlers verringert.

Die DC-Nennleistung des Kondensators sollte deutlich über der maximalen Ausgangsspannung V_OUT liegen, da sich der Wirkungsgrad von Keramikkondensatoren verschlechtert, wenn sie im Bereich der maximalen Spannung betrieben werden. Empfehlungen zur Wahl des passenden Kondensators finden Sie im Datenblatt.

Überlegungen zum Layout des Aufwärtsreglers: Aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeiten ist das Layout der Platine für die Leistungsfähigkeit des Aufwärtsreglers sehr wichtig. Parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten können eine hohe Ausgangswelligkeit, eine schlechte Ausgangsregulierung sowie übermäßige elektromagnetische Störungen (EMI) zur Folge haben oder aufgrund einer hohen Spannungsspitze sogar zu funktionalen Fehlern führen.

Aus diesem Grund sollten die Entwickler folgende Tipps zum Platinenlayout beachten:

1. Die Ausgangskondensatoren sollten sich nahe an der Komponente befinden und über kurze und breite Leiterbahnen verbunden werden, um parasitäre Induktivitäten zu minimieren, die zu Spannungsklingeln und Spannungsspitzen führen können. Mehrere Durchkontaktierungen verringern parasitäre Kapazitäten.
2. Nach der Platzierung des Ausgangskondensators wird die Induktivität nahe dem IC platziert, um die abgestrahlten EMI zu verringern. Da der SW-Knoten (siehe Abbildungen 2, 3 und 4) elektrischen Störungen unterliegt, sollten das Rückkopplungssignal (FB) und andere empfindliche Leiterbahnen weit genug entfernt von diesem Knoten verlaufen.
3. Der Erdungsknoten des Eingangskondensators sollte nicht weit vom Massepunkt der IC-Versorgung entfernt sein, um den Schleifenbereich zu minimieren.
4. Um die thermische Leistung zu optimieren, sollte das Layout mit thermischen Durchkontaktierungen vom Wärmeleitpad der Komponente (falls zutreffend) hinunter zur Grundplatte versehen werden. Durch sie werden die Wärmeableitung verbessert und das Risiko einer Abschaltung durch Überhitzung verringert.
5. Versorgungserde, Betriebserde und Wärmeleitpad sollten mit einem einzigen Erdungspunkt mit geringer Impedanz verbunden werden.

Online-Entwicklungssoftware beschleunigt den Entwicklungsprozess

Eine effektive Stromversorgung erfordert Erfahrung in verschiedenen Bereichen, so etwa in der Bewertung und Auswahl von Komponenten, in der Magnetik, im Design von Kompensationsschaltungen, in der Optimierung, in der Thermoanalyse, im Layout usw.

Aus diesem Grund bieten verschiedene Hersteller von Leistungshalbleitern hilfreiche Online-Entwicklungssoftware an, mit der die Entwickler ihre Designs erfolgreich erstellen können.

Texas Instruments bietet diverse Tools an. Power Stage Designer™ beispielsweise unterstützt die Entwickler beim Design der gängigsten Schaltnetzteile. Für Aufwärtswandler steht eine Auswahl an Boost-, Buck-Boost- und SEPIC-Topologien zur Verfügung. Nach Auswahl einer vorgeschlagenen Topologie hilft das Programm dem Entwickler beim Vergleichen verschiedener Leistungs-FETs, bei der Auswahl eines Bulk-Kondensators, beim Festlegen des Kompensationsnetzwerks sowie bei der Durchführung weiterer Designfunktionen.

ADI bietet das Entwicklungswerkzeug ADIsimPower™ an. Es unterstützt Entwickler beim Erstellen kompletter Schaltpläne und Stücklisten (BOMs) sowie bei der Berechnung der Schaltungsleistung. Mit ADIsimPower können Sie Designs hinsichtlich Kosten, Fläche, Wirkungsgrad oder Anzahl der Teile optimieren, wobei Betriebsbedingungen und -beschränkungen von IC und externen Komponenten berücksichtigt werden.

Fazit

Indem er die Verwendung von Schaltkreisfunktionen mit höheren Spannungen ermöglicht, spielt der Aufwärtsregler eine wichtige Rolle in batteriebetriebenen tragbaren Designs und Wearables. Die Entwickler müssen sich jedoch für eine Komponente entscheiden, die zur erforderlichen aufwärtswandelnden Anwendung passt, und dabei verschiedene Kompromisse und bewährte Vorgehensweisen berücksichtigen, die für das Design wichtig sind.