Mit dem richtigen Spannungsschaltregler zu mehr Effizienz

Bei der Wahl des richtigen Spannungsschaltreglers ist der Wirkungsgrad (die Effizienz) von größter Bedeutung. Die Fähigkeit, eine stabile Energieversorgung in einem kleinen Format zu liefern, ist für die heutigen miniaturisierten Geräte erforderlich.

Eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung von Elektronik ist die Fähigkeit, stabile Spannungen zu erzeugen, die erhebliche Strommengen liefern können. Schaltregler sind ein wesentliches Bauteil für die Erzeugung stabiler Versorgungsspannungen und für die Aufwärts- oder Abwärtswandlung von Spannungen.

Spannungsschaltregler haben viele Bezeichnungen: Schaltwandler oder Schaltnetzteil (SMPS) und DC/DC-Regler oder -Wandler. Sie erfreuen sich immer größerer Beliebtheit, da sie die Vorteile einer effizienteren Umwandlung hoher Leistungen, die Flexibilität eines stabilen Ausgangs aus einer einzigen Eingangsspannungsquelle und die Fähigkeit, mehrere Ausgangsspannungen mit unterschiedlichen Polaritäten zu verarbeiten, bieten.

Die gebräuchlichsten Schaltwandlertypen sind:

• Boost: die Eingangsspannung wird verstärkt und für den Ausgang aufbereitet
• Buck: die Eingangsspannung wird herabgesetzt und für den Ausgang aufbereitet
• Buck-Boost: die Eingangsspannung wird verstärkt oder vermindert und die Polarität optional invertiert
• Flyback: eine Art von Buck-Boost-Wandler mit zusätzlicher galvanischer Trennung

Feste und einstellbare lineare Spannungsregler

Viele Jahre lang basierten Stromversorgungskonzepte auf linearen Spannungsreglern, die sich für die Bereitstellung einer kontinuierlichen, festen Ausgangsspannung als hervorragend erwiesen haben. Es gibt auch andere lineare Spannungsregler, wie den LM317, die einstellbar sind.

Beliebte Typen von Spannungsreglern mit festem und linearem Ausgang sind die Serien 78xx mit positivem Ausgang und 79xx mit negativem Ausgang. Diese Spannungsregler erzeugen einen stabilen Ausgang im Bereich von 5 V bis 24 V.

Lineare Spannungsregler sind keine Schaltwandler. Spannungsregler haben den Vorteil der Einfachheit und der geringen Kosten. Sie haben in der Regel eine Ausgangsleistung von weniger als 10 W, sind in der Regel weniger effizient, wodurch Wärme erzeugt wird, und weisen ein geringes Rauschen und eine geringe Restwelligkeit auf. Linearregler können die Spannung nur abwärts regeln, während ein Schaltwandler die Eingangsspannung mit Hilfe von Buck-, Buck-Boost- und Boost-Komponenten auf- und abwärts regeln und optional invertieren kann.

Stromversorgung mit Schaltwandlern

Die meisten modernen Fernsehgeräte, Personalcomputer, Gleichstrommotorantriebe und Leistungsverstärker benötigen ein fortschrittliches und effizientes Schaltnetzteil, das Halbleiterschalttechniken anstelle von linearen Standardmethoden zur Bereitstellung der Ausgangsspannung verwendet. Der grundlegende Schaltwandler besteht aus einer Leistungsschaltstufe und einem Regelkreis.

Durch die geringere Verlustleistung hat das SMPS den Vorteil eines höheren Wirkungsgrads, da ein Transistor (oder Leistungs-MOSFET) intern zwischen dem gesättigten „EIN“- und dem „AUS“-Zustand umgeschaltet wird.

Abwärtswandelnde Schaltregler

Die Serie BD9x von ROHM Semiconductor bietet hocheffiziente DC/DC-Abwärtswandler, eine kompakte Option für Anwendungen, die eine effiziente Leistungsumwandlung erfordern, einschließlich Automotive- und Industrie-Designs. Die Serie BD9x zeichnet sich durch ein vereinfachtes Design mit einer geringeren Anzahl von Komponenten aus, das Platz spart und den Herstellungsprozess optimiert. Der niedrige Standby-Strom verlängert die Batterielebensdauer in tragbaren Anwendungen und sorgt gleichzeitig für eine stabile Ausgangsspannung für eine zuverlässige Performance, wie der Buck-Schaltregler BD9A201FP4-LBZTL (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der Buck-Schaltregler BD9A201FP4-LBZTL liefert eine stabile Ausgangsspannung. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Der Buck-Schaltregler BD9E105FP4-ZTL (Abbildung 2) mit einem einstellbaren Einzelausgang ist ein Gleichstromregler, der speziell für niedrigere Spannungen entwickelt wurde. Mit Leistungs-MOSFETs mit niedrigem Durchlasswiderstand und einem einzelnen synchronen DC/DC-Abwärtswandler bietet der Regler BD9E105FP4-ZTL höchste Effizienz bei geringer Last. Dies ist ideal für Geräte, die einen minimalen Stromverbrauch im Standby-Modus erfordern.

Er zeichnet sich durch ein gutes Einschwingverhalten aus und benötigt nur wenig Platz auf der Leiterplatte, während er gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte in einem kleinen Gehäuse bietet - ideal für Haushaltsgeräte wie Kühlschränke und Klimaanlagen, Telekommunikationsgeräte, Adapter und sekundäre Stromversorgungsgeräte.

Abbildung 2: Niedrigere Spannungsanforderungen können mit einem Abwärtsschaltregler BD9E105FP4-ZTL abgedeckt werden. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Aufwärtswandelnder Schaltregler

Der Aufwärtsschaltregler MP3414AGJ-Z verfügt über einen einstellbaren Ausgang und sein schlankes Profil eignet sich gut für die Oberflächenmontage bei begrenztem Platzangebot. Er kann problemlos in einem Temperaturbereich von -40°C bis +125°C betrieben werden und kann ab einer Eingangsspannung von nur 1,8 V arbeiten, während er einen Einschaltstrom- und Ausgangskurzschlussschutz (SCP) bietet.

Die Fähigkeit, im synchronen Strombetrieb zu arbeiten und dabei einen hohen Wirkungsgrad beizubehalten, ist notwendig, wenn ein Aufwärtswandler mit Ausgangstrennung benötigt wird. Außerdem ist keine externe Schottky-Diode erforderlich, da der Wirkungsgrad durch einen integrierten P-Kanal-Synchrongleichrichter verbessert wurde. Die Funktion zur Ausgangstrennung beim Abschalten des MP3414A ermöglicht eine vollständige Entladung bei einem Versorgungsstrom von weniger als 1 μA im Abschaltmodus.

Kleiner ist besser

Durch den Einsatz des MP3414A kann die Anzahl der externen Komponenten reduziert werden. Er verwendet eine Schaltfrequenz von 1 MHz, um kleinere externe Komponenten zu ermöglichen, während seine Sanftanlauf-Funktion die Anzahl der externen Teile minimiert. Er kann einen großen Strombelastungsbereich bewältigen. Darüber hinaus unterstützt der integrierte Leistungs-MOSFET einen Spitzenschaltstrom von über 3 A bei einer Ausgangsspannung von 5,5 V.

Diese Vielseitigkeit und weitreichende Leistung bei kompakter Größe ist ideal für Anwendungen wie einzellige Li-Batterieprodukte, einschließlich zwei- und dreizelliger Alkali-, NiMH- oder NiCd-Formate. Drahtlose Peripheriegeräte, Spielzubehör, persönliche medizinische Geräte und tragbare Mediaplayer profitieren alle von einem Aufwärtswandler wie dem MP3414A.

Die Technologie schreitet schnell voran, und sie wird immer kompakter. Im Vergleich zum SOP-J8 ist der MP3414AGJ-Z in einem TSOT23-Gehäuse ca. 72% kleiner, was zu einem deutlich geringeren Footprint führt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Da die Bauteile immer kleiner werden, ist eine Miniaturisierung von Gehäusen wie dem TSOT23 erforderlich. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Maximierung der Effizienz bei gleichzeitiger Senkung des Stromverbrauchs

Der Bedarf an Miniaturisierung ist eine ständige Triebkraft, und gleichzeitig müssen Zuverlässigkeit und Energieeffizienz gewährleistet sein. Der Abwärtsschaltregler BD9E202FP4-ZTL bietet einen einstellbaren Ausgang und zuverlässige Leistung in einem kompakten Design (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der BD9E202FP4-ZTL ist ein Abwärtsschaltregler, der zuverlässige Leistung in einem kleineren, kompakteren Design liefert. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Die Vorstellung, dass eine Verkleinerung Einbußen bei der Belastbarkeit oder der Zuverlässigkeit der Stromversorgung bedeutet, ist nicht zutreffend. Der BD9E202FP4-ZTL bietet einen hohen Umwandlungswirkungsgrad und trägt gleichzeitig zu einer geringeren Leistungsaufnahme bei (Abbildung 5).

Durch die Bereitstellung eines niedrigen Standby-Stroms können batteriebetriebene Geräte von einem minimalen Stromverbrauch profitieren, wenn sie sich im Leerlauf befinden. Außerdem wird durch eine konstante Einschaltdauerregelung ein effizienter Betrieb bei geringer Last ermöglicht.

Abbildung 5: Entwickler suchen nach hocheffizienten DC/DC-Abwärtswandlern, die eine effiziente und zuverlässige Wandlung liefern können. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Flyback-Wandler für AC/DC und DC/DC

Der Flyback-Wandler (Sperrwandler) ist ein Abwärtswandler, der einen Rücklauftransformator enthält. Er wird sowohl bei der AC/DC- als auch bei der DC/DC-Wandlung eingesetzt, wenn eine galvanische Trennung zwischen den Ausgängen und dem Eingang besteht, und bietet die Vervielfachung von Spannungsverhältnissen mit dem zusätzlichen Vorteil der Isolierung.

Ein isolierter Stromrichter verfügt über die beiden Regelungsarten Spannungsregelung und Stromregelung. In den meisten Fällen sollte die Stromregelung aus Stabilitätsgründen im Betrieb dominieren.

DC/DC-Buck-Boost-Wandler

Ein typischer Gleichstromwandler mit einer Ausgangsspannung, die größer oder kleiner ist als die Eingangsspannung, ist ein Buck-Boost-Wandler. Auch die Erzeugung von negativen Spannungen ist möglich. Er ähnelt einem Sperrwandler, verwendet aber anstelle eines Transformators eine einzelne Induktivität. Ein Buck-Boost-Wandler besteht aus zwei verschiedenen Topologien, wobei beide einen Bereich von Ausgangsspannungen erzeugen, der von größer als der Eingangsspannung bis hin zu Null reicht.

DC/DC-Stromversorgungen, die manchmal auch als „Chopper“ bezeichnet werden, enthalten eine Buck-Boost-Schaltung, die je nach Arbeitszyklus entweder als Aufwärts- oder Abwärtswandler fungiert.

Fazit

Effiziente Leistungsumwandlung für die heutigen Automobil- und Industriedesigns kann nicht ohne Spannungsschaltregler funktionieren. Da die heutigen Konstruktionen immer kompakter werden, ist die Nachfrage nach vielseitigen und effizienten Komponenten, die eine gleichbleibende Leistung gewährleisten, größer denn je.

Spannungsschaltregler können unter verschiedenen Bezeichnungen geführt werden: SMPS, DC/DC-Schalter, Regler oder Wandler - ROHM bietet eine Vielzahl von kompakten Optionen für verschiedene Anwendungen, die eine effiziente Leistungsumwandlung erfordern.