Was ist ein DC/DC-Wandler? Teil 2
Einführung
Beim letzten Mal haben wir erklärt, dass Abwärts-DC/DC-Wandler (Schaltregler) über die Steuerung des Zeitverhältnisses eine stabile Spannung erzeugen. In dieser Folge möchten wir darüber sprechen, wie über die Steuerung des Zeitverhältnisses ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. In dieser Folge werden wir auf die Funktion der Induktivität bei einem DC/DC-Wandler eingehen und werden wir die Eigenschaften von DC/DC-Wandlern mit denen von Linearreglern vergleichen und erklären, für welche Art von Anwendungen sie aufgrund ihrer Eigenschaften eingesetzt werden.
Steuerung des Zeitverhältnisses und Effizienz von DC/DC-Abwärtswandlern
Vorweg eine kleine Wiederholung vom letzten Mal. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die Spannungserzeugungsmethode von DC/DC-Wandlern mit Abwärtsregelung, auf die wir bereits in der letzten Folge eingegangen sind. Wir hatten erklärt, dass der Impulsausgang der zeitverhältnisgesteuerten DC/DC-Wandler über einen LC-Tiefpassfilter in eine konstante Spannung umgewandelt wird, die dem Zeitverhältnis entspricht.


Was lässt sich erkennen, wenn wir uns auf die Stromversorgungsseite konzentrieren? Eingangsspannung und Eingangsstrom werden von DC/DC-Wandlern in eine Impulsfolge umgewandelt. Die Stromversorgung erfolgt nur während der Ton-Periode, während der Toff-Periode wird kein Strom geliefert.
Wie regelt ein DC/DC-Wandler die Ausgangsspannung während der Toff-Zeit? Eine Induktivität ist die Antwort darauf. Wie ich bereits erklärt habe, glättet die Induktivität die Zeitpulse und kann als Filter dienen, um mit dem Ausgangskondensator einen stabilen Ausgang zu erzeugen. Darüber hinaus spielt die Induktivität eine wichtige Rolle bei der Speicherung und Freigabe von Energie.
Die Merkmale einer Induktivität und ihre Funktion in DC/DC-Wandlern
Wenn ein Strom durch einen Induktor fließt, wird die Energie, die durch den Strom und den Induktivitätswert des Induktors bestimmt wird, im Induktor als magnetische Energie gespeichert. Ein Kondensator speichert ebenfalls elektrische Energie, indem er aufgeladen wird und behält die Energie bis er sie wieder abgibt. Eine Induktivität gibt Energie ab, sobald die Stromversorgung unterbrochen wird.
Abbildung 3 zeigt den Betrieb der Schalter und den Stromfluss der DC/DC-Wandler in jedem Schaltzustand. Schritt 1 ist die Ton-Periode, und Schritt 2 ist die Toff-Periode. Während der Ton-Periode liefert die Stromquelle den von der Last benötigten Strom, Iout, über die Induktivität und die Induktivität speichert Energie in Höhe dieses Stroms. Während der Toff-Periode hingegen wird die in der Induktivität gespeicherte Energie freigesetzt und der Strom wird von GND geliefert. Auf diese Weise wird der Strom nur während der Ton-Periode von der Stromquelle geliefert, aber die Last erhält weiterhin Strom.

Angenommen, eine Last von 100 mA ist erforderlich, 100 mA werden während der Ton-Periode von der Stromquelle und 100 mA während der Toff-Periode von GND gespeist.
Die Eingangsleistung, Vin × Iout wird während des Zeitraums Ton / (Ton+ Toff) geliefert.
Also: Eingangsleistung = (Vin × Iout) × (Ton / (Ton +Toff)) . ... (1)
Andererseits, Ausgangsleistung = Vout × Iout. … (2)
Wie bereits in der letzten Folge erörtert wurde, ist Vout = Vin × (Ton / (Ton + Toff)) . ... (3)
Einsetzen von Gleichung (3) in (2),
Ausgangsleistung = Vin × (Ton / (Ton + Toff)) × Iout. … (4)
Die Eingangsleistung von (1) und die Ausgangsleistung von (4) sind gleich.
Wirkungsgrad (%) = Ausgangsleistung (W) / Eingangsleistung (W). … (5)
Man kann sagen, dass der ideale Wirkungsgrad von DC/DC-Wandlern 100 % beträgt.
Dies ist der größte Vorzug von DC/DC-Wandlern.
Einen Vergleich zwischen Linearreglern und DC/DC-Wandlern findet sich in Abbildung 4.

Beispiel: Betrachten wir den Fall, dass Vin = 5 V, Vout = 2 V und Iout = 100 mA.
Linearregler erzeugen eine stabile Ausgangsspannung, indem sie mit einem internen Ausgangstreibertransistor Strom verbrauchen. Wie in Folge 4 beschrieben, wird der ideale Wirkungsgrad von Linearreglern wie folgt berechnet.
Wirkungsgrad (%) = Ausgangsspannung(V) / Eingangsspannung(V).
Im Falle von Vin = 5 V, Vout = 2 V und Iout = 100 mA beträgt der Wirkungsgrad also 40 %.
Bei DC/DC-Abwärtswandlern hingegen entspricht dieser Fall dem Beispiel 3 in Abbildung 2, bei dem das Zeitverhältnis Ton / (Ton + Toff) 40 % beträgt.
Für die Ausgangsleistung, Vout × Iout = 2 V × 100 mA = 200mW, werden nur 40 % der Eingangsleistung (5 V × 100 mA) benötigt.
Die Eingangsleistung ist Vin × Iout × Zeitverhältnis = 5 V × 100 mA × 40% = 200 mW. Die Ausgangsleistung entspricht der Eingangsleistung, und der Wirkungsgrad beträgt 100 %.
Daher beträgt der ideale Wirkungsgrad von DC/DC-Abwärtswandlern 100 %.
*Abbildung 4 und die obigen Erläuterungen gehen vom Idealfall aus, dass der Verbrauchsstrom von Linearreglern und DC/DC-Wandlern oder Verluste durch externe Komponenten nicht berücksichtigt werden.
Vergleich von Linearreglern und DC/DC-Wandlern
Vergleichen wir nun Linearregler und DC/DC-Wandler und denken ein wenig wir über ihre Einsatzmöglichkeiten nach.
Linearregler vs DC/DC-Wandler
Linearregler | DC/DC-Wandler | Remark | |
Wirkungsgrad | Schlecht | Gut |
|
Ausgangsstrom | Klein | Groß |
|
Rauschen | Klein | Groß |
|
Ausgangstopologie | Nur Step-down | Step-up, Step-down, Step-up und down und Inverter |
|
Komplexität der Schaltung | Klein | Groß |
|
Beispiele für typische Anwendungen
- Rauscharme Stromversorgung → LDO
- Großer Strom, hoher Wirkungsgrad → DC/DC-Wandler
Wirkungsgrad
Wie oben bereits erläutert wurde, erreicht ein DC/DC-Wandler im Idealfall einen Wirkungsgrad von 100 %; dies ist der größte Vorteil eines DC/DC-Wandlers. Der tatsächliche Wirkungsgrad beträgt 80 bis 95 % aufgrund der Verluste eines DC/DC-Wandlers selbst, der Schaltverluste und anderer Faktoren.
Andererseits kann ein linearer Regler keinen so hohen Wirkungsgrad wie ein DC/DC-Wandler erreichen, da ein linearer Regler die erforderliche Spannung mit Hilfe eines Ausgangstreibers erzeugt, der eine große Menge an Energie verbraucht und wie oben beschrieben kann der Wirkungsgrad wie folgt ausgedrückt werden:
Wirkungsgrad (%) = Ausgangsspannung (V) / Eingangsspannung (V).
Ein hoher Wirkungsgrad in der Nähe von DC/DC-Wandlern kann erreicht werden, indem die Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang mit einem LDO mit extrem niedriger Dropout-Spannung so gering wie möglich gehalten wird.
Ausgangsstrom
Ein DC/DC-Wandler eignet sich für Geräte mit hohem Laststrom wie CPUs, da sein Wirkungsgrad hoch ist. Andererseits ist ein linearer Regler für diese Art von Geräten nicht so gut geeignet, da ein Ausgangstreiber eine große Menge an Strom verbraucht.
Rauschen
Lineare Regler verursachen grundsätzlich kein nennenswertes Rauschen, da sie die Ausgangsspannung durch Division der Eingangsspannung mit dem Widerstand ihres Ausgangstreibers und dem Lastwiderstand erzeugen.
*Mit Rauschen ist hier NICHT das weiße Rauschen oder 1/f-Rauschen gemeint, das sowohl bei linearen Reglern als auch bei DC/DC-Wandlern auftritt.
Andererseits schalten DC/DC-Wandler die Eingangsstromversorgung in einem Zeitverhältnis, das proportional zur Ausgangsspannung/Eingangsspannung ist, so dass ein Schaltrauschen unvermeidlich ist. Dieses Rauschen ist ein großer Nachteil von DC/DC-Wandlern. Die erzeugte Rauschfrequenz ist die Schaltfrequenz der DC/DC-Wandler und ihre Oberschwingungen. DC/DC-Wandler können in Anwendungen eingesetzt werden, die vom Rauschen in diesen Frequenzbändern nicht betroffen sind.
Ausgangsspannung
Linearregler arbeiten nur im Abwärtsbetrieb, da sie die Ausgangsspannung durch Division der Eingangsspannung durch den Einschaltwiderstand des Ausgangstreibers und den Lastwiderstand erzeugen. Auf der anderen Seite haben DC/DC-Wandler die wichtige Eigenschaft, dass, wenn die Energiespeicher der Induktivität genutzt werden, der Aufwärtsbetrieb (Boost) und der invertierende Betrieb einfach durch Änderung der der Schaltung werden können. (Wir werden dieses in der nächsten Folge behandeln.)
Komplexität der Schaltung
Der interne Grundschaltkreis eines Linearreglers besteht aus nur vier Elementen: einer Referenzspannungsquelle, einem Fehlerverstärker, einem Rückkopplungswiderstand und einem Ausgangstreibertransistor und er ist einfach. Als externe Komponenten werden nur ein Eingangskondensator und ein Ausgangskondensator benötigt und er ist einfach zu verwenden. DC/DC-Wandler hingegen bestehen aus einer Referenzspannungsquelle, einem Fehlerverstärker, einer Oszillatorschaltung und einem Komparator zur Steuerung des Zeitverhältnisses, einem High-Side-Schalter, einem Low-Side-Schalter usw. und die Schaltung ist kompliziert und groß. Wir müssen beachten, dass eine Induktivität als externes Bauteil erforderlich ist. Es ist nicht trivial die richtige Induktivität zu finden und die Kosten können hoch sein.
Auf der Grundlage des obigen Vergleichs der Merkmale (Vor- und Nachteile) lassen sich die Anwendungen von Linearreglern und DC/DC-Wandlern wie folgt zusammenfassen.
Linearregler
Er eignet sich für Anwendungen die empfindlich auf Rauschen reagieren, wie z. B. Sensoren, und für Anwendungen, die eher einen niedrigen Stromverbrauch als einen hohen Wirkungsgrad erfordern, da der Laststrom gering ist. Er kann auch zur Verringerung des Schaltrauschens von DC/DC-Wandlern eingesetzt werden, indem er zwischen Last und DC/DC-Wandler geschaltet wird, um die Restwelligkeit zu beseitigen.
DC/DC-Wandler
Er wird für Anwendungen verwendet, die einen hohen Wirkungsgrad erfordern, für CPUs und große digitale Schaltungen, die unter der Prämisse eines hohen Wirkungsgrads einen hohen Strom benötigen und für Anwendungen, die eine höhere oder negative Spannung im Vergleich zur Eingangsspannung erfordern.
Zusammenfassung
Diesmal haben wir erklärt, dass der Wirkungsgrad das wichtigste Merkmal von DC/DC-Wandlern ist, welcher die Nutzung der Energiespeicherung und -abgabe über eine Induktivität bei DC/DC-Wandlern erreicht werden kann. Wir haben auch Anwendungen von linearen Reglern und DC/DC-Wandlern behandelt, indem wir sie verglichen haben.
Beim nächsten Mal möchten wir auf die Funktionen der Energiespeicherung und -abgabe der Induktivität, den Boosting-Betrieb, bei dem eine höhere Spannung als die Eingangsspannung erzeugt wird und den Invertierungsbetrieb, bei dem eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität zur Eingangsspannung erzeugt wird, erläutern, indem die Schaltungsanordnung von zwischen Stromversorgung, Induktivität und Schalter ändern. Wir werden auch über die typische Methode der Zeitverhältnissteuerung sprechen.
Vielen Dank, dass Sie sich für diese Thematik interessieren.
Die Kolumnen im Überblick
- Folge 1: Was sind Power-Management-ICs?
- Folge 2: Was ist ein Linear-Regler (LDO-Regler)? Teil 1
- Folge 3: Was ist ein Linear-Regler (LDO-Regler)? Fortsetzung
- Folge 4: Was ist ein Linear-Regler (LDO-Regler)? Fortsetzung
- Folge 5: Was ist ein DC/DC-Wandler? Teil 1
- Folge 6: Was ist ein DC/DC-Wandler? Teil 2
- Folge 7: Was ist ein DC/DC-Wandler? Teil 3
- Folge 8: Was ist ein DC/DC-Wandler? Teil 4
- Folge 9: Was ist ein DC/DC-Wandler? Teil 5


Autor ‚S‘ (Nisshinbo Micro Devices Inc.)
Seit seinem Eintritt in das Unternehmen war er lange Zeit an verschiedenen analogen und digitalen Designs beteiligt, z. B. an Gate-Arrays, Mikrocomputern, Speichern und Power-Management-ICs.
Danach beherrschte er auch die Prüftechnik für zusammengesetzte Stromversorgungs-ICs und wurde zu einem Spezialisten für Design, Prüfung und Ausbildung in seinem Fachgebiet.
Seine leicht verständlichen Erklärungen und seine höfliche Anleitung aus der Sicht des Zuhörers kommen bei den neuen Ingenieuren, die jedes Jahr in unser Unternehmen kommen, gut an. Seine Leistungen werden hoch gelobt, und jetzt arbeitet er als leitender Ingenieur in der Ausbildung jüngerer Generationen und als Berater für neue Technologien.