Was ist ein DC/DC-Konverter Teil 5

Einleitung

Hallo zusammen, hier ist wieder "S". Dies ist die letzte Folge über DC/DC-Wandler. In den vergangenen vier Folgen habe ich die grundlegenden Vorgänge und Funktionen zum Verständnis von DC/DC -Wandlern erklärt, da es verschiedene Steuerungsmethoden und Typen von DC/DC-Wandlern gibt. In dieser Folge möchte ich diese Inhalte kurz zusammenfassen und wiederholen. Ich werde auch auf verschiedene Arten von DC/DC-Wandlern eingehen.

Inhalt

• Überblick über DC/DC-Wandler 
• Isolierte DC/DC-Wandler
• Ladungspumpe
• Zusammenfassung

Überblick über DC/DC-Wandler

DC/DC-Wandler sind Geräte, die eine Gleichspannung umwandeln. Auch Linearregler werden in der Kategorie der DC/DC-Wandler eingeordnet. Der Begriff „DC/DC-Wandler“ wird in diesem Kurs jedoch ausschließlich für Schaltregler verwendet.

[1] Grundlegende Funktionsweise und Wirkungsgrad von DC/DC-Wandlern im Vergleich zu Linearreglern

Der Linearregler verbraucht zusätzliche Leistung aus der Eigenversorgung, indem er sie als Wärme im Ausgangstreiber ableitet und liefert die von der Last benötigte Spannung und den Strom. Dies ist in Abbildung 1-1 dargestellt.

Im Gegensatz dazu teilen Abwärts-DC/DC-Wandler die von der Eingangsstromversorgung gelieferte Energie in Zeitimpulse auf, deren Verhältnis dem Energiebedarf des Ausgangs entspricht und liefern die von den Ausgangslasten benötigte Spannung und den Strom durch Glättung dieser Impulse. Dadurch wird im Idealfall ein Wirkungsgrad von 100% erreicht. Dies ist in Abbildung 1-2 dargestellt.

Zu diesem Zeitpunkt bildet eine Induktivität zusammen mit einem Ausgangskondensator einen Tiefpassfilter, um die Impulsfolge zu glätten und in die von der Last benötigte Spannung umzuwandeln. Die Induktivität spielt darüber hinaus eine noch wichtigere Rolle. Die Induktivität liefert einen Strom an die Last und speichert die Energie dieses Stroms, wenn sie an der Eingangsstromversorgung angeschlossen ist. Wenn die Induktivität von der Eingangsstromversorgung getrennt und mit GND verbunden ist, spielt sie eine Rolle bei der Versorgung der Last mit Strom über GND in dem sie ihre Energie freisetzt.

[2] Zeitverhältnissteuerung (PWM-Steuerung und VFM (PFM)-Steuerung)  

DC/DC-Wandler teilen die von der Eingangsstromversorgung gelieferte Energie in Zeitimpulse mit einem Verhältnis, das dem Energiebedarf des Ausgangs entspricht und glätten diese Impulse. Mit anderen Worten: Die Eingangsspannung wird durch Steuerung des Zeitverhältnisses in die erforderliche Spannung umgewandelt. Es gibt zwei Arten von Verhältnissteuerungsmethoden PWM-Steuerung und VFM-Steuerung (PFM)

PWM-Steuerung

Die PWM-Steuerung hat eine konstante Betriebsfrequenz und steuert die Ton - Zeit einer konstanten Periode, die als Duty bezeichnet wird, wobei Ton die Einschaltzeit in einem Zyklus ist.
Wenn der Laststrom groß ist und ein von Null verschiedener Induktionsstrom kontinuierlich fließt, ist die Ausgangsspannung nicht vom Laststrom abhängig, sondern als Wert definiert, der sich aus der Eingangsspannung und dem Tastverhältnis ergibt. Konstante Frequenz und Dauerbetrieb können den Wirkungsgrad bei geringer Last verschlechtern, jedoch ist es aufgrund der konstanten Frequenz einfach Rauschen zu unterdrücken.

Auch bei PWM, nichtsynchroner (Dioden-)Gleichrichtung oder synchroner Gleichrichtung mit Rückstromschutz, die im nächsten Abschnitt beschrieben werden, kommt es zu einem diskontinuierlichen Induktionsstrom, wenn der Laststrom abnimmt. In diesem Fall wird das Tastverhältnis entsprechend dem Laststrom erhöht oder verringert, um die Ausgangsspannung konstant zu halten. 

VFM (PFM) Kontrolle

Bei dieser Methode wird die Schaltperiode (Impulsabstand) in Abhängigkeit vom Laststrom mit einer konstanten Impulszeit von Ton gesteuert.  Wenn der Laststrom sinkt, sinkt auch die Schaltfrequenz entsprechend und die Leistungsaufnahme des Steuerkreises sinkt.
Infolgedessen bleibt der hohe Wirkungsgrad bei geringer Last erhalten. Es ist jedoch schwierig eine Gegenmaßnahme gegen Rauschen zu ergreifen, da sich die Frequenz des Schaltrauschens auf die Niederfrequenzseite ausbreitet.

(3) Gleichrichtungsmethode

DC/DC-Wandler teilen die von der Eingangsstromversorgung gelieferte Energie in Zeitimpulse mit einem Verhältnis, das dem Energiebedarf des Ausgangs entspricht, glätten die Impulse und liefern sie an die Ausgangslast.

Mit anderen Worten: Die Eingangsgleichstromversorgung wird in Impulse umgewandelt und dann gleichgerichtet, um eine Gleichspannung zu gewinnen. Es gibt zwei Arten von Gleichrichtungsverfahren: ein synchrones Gleichrichtungsverfahren und ein nicht-synchrones (Dioden-) Gleichrichtungsverfahren. Sowohl die synchrone als auch die nicht-synchrone (Dioden-) Gleichrichtung haben die gleiche Konfiguration von Schaltern, die die Eingangsstromversorgung mit der Spule verbinden, um Energie zu akkumulieren, aber die Konfiguration, die für die Freigabe der Spulenenergie verwendet wird, ist unterschiedlich. Bei der nichtsynchronen Gleichrichtung wird eine Diode verwendet, während bei der synchronen Gleichrichtung ein Schalter eingesetzt wird.

1.    Erzwungene PWM und normale PWM Synchrongleichrichtung

Bei der erzwungenen PWM-Synchrongleichrichtung lässt der Schalter den Stromfluss in umgekehrter Richtung zu. Der Dauerstrom kann auch bei geringer Last aufrechterhalten werden und es entsteht kein hochfrequentes Rauschen wie bei der nichtsynchronen (Dioden-) Gleichrichtung. Bei der normalen PWM Synchrongleichrichtung ermöglicht die Rückstromfunktion einen Betrieb, der dem der nichtsynchronen Gleichrichtung entspricht. Durch die Verwendung eines Schalters anstelle einer Diode gibt es außerdem keine Wirkungsgradverluste aufgrund der Vorwärtsspannung der Diode. 

2.    Nichtsynchrone (Dioden-)Gleichrichtung 

Um den durch die Durchlassspannung einer Diode bedingten Effizienzverlust zu verringern, wird in der Regel eine Schottky-Sperrschichtdiode mit niedriger Durchlassspannung als externes Bauteil verwendet. Wenn der Laststrom niedrig ist, wird der Schaltknoten hochohmig und der Induktionsstrom wird null, was zu einem unstetigen Strombetrieb führt, der hochfrequente Schwingungen (klingeln) am Schaltknoten verursacht und Rauschen hervorruft.

(4) Arten der Spannungsumwandlung

Linearregler können nur im Abwärtsbetrieb arbeiten, d.h. sie erzeugen eine Spannung, die niedriger ist als die Eingangsversorgungsspannung. DC/DC-Wandler können nicht nur als Abwärtswandler, sondern auch als Aufwärtswandler oder als invertierender Spannungswandler arbeiten. 
Für jede der beiden oben beschriebenen Gleichrichtungsarten sind in der Tabelle die Berechnungsformeln für die Ausgangsspannung sowie Schaltungskonfiguration aufgeführt.

•  Ab hier werde ich auf DC/DC-Wandler eingehen, die bisher noch nicht erwähnt wurden.

(5) Isolierte und nicht isolierte DC/DC-Wandler

Es gibt zwei Klassifizierungen von DC/DC-Wandlern: isolierte und nicht isolierte. Bei den bisher erläuterten DC/DC-Wandlern handelt es sich um nicht isolierte Typen. Der Unterschied zwischen isolierten und nicht isolierten Typen wird im Kapitel „DC/DC-Wandler des isolierten Typs“ weiter unten erläutert.

(6) DC/DC-Wandler ohne Verwendung von Induktivitäten

Bei den bisher erwähnten DC/DC-Wandlern handelt es sich um Methoden zur Spannungswandlung, bei denen Energie in einer Induktivität gespeichert und wieder abgegeben wird. Es gibt noch eine andere Methode, die als Ladungspumpe bezeichnet wird und keine Induktivität verwendet. Auch diese wird im folgenden Kapitel „Ladungspumpe“ erklärt.  

Isolierte DC/DC-Wandler

Alle bisher beschriebenen DC/DC-Wandler werden als nicht isolierte DC/DC-Wandler eingestuft, da sie eine gemeinsame Masse zwischen Eingangsseite und dem Ausgang haben – die Eingangs- und Ausgangsseite sind elektrisch miteinander verbunden.

In der Regel werden handelsübliche Geräte mit Wechselstrom betrieben. Innerhalb des Gerätes wird die Spannung umgewandelt, die das Gerät für seine Funktion benötigt. Um die Sicherheit zu gewährleisten, z.B. um einen elektrischen Schlag für den Benutzer zu verhindern, ist eine Isolation zwischen Ein- und Ausgangsspannung erforderlich. An dieser Stelle wird ein Transformator verwendet, bei dem die Eingangsseite und Ausgangsseite elektrisch vollständig voneinander isoliert sind.

Als Beispiel für einen isolierten DC/DC-Wandler möchte ich Flyback-Wandler vorstellen, die in ihrer Funktionsweise den DC/DC-Aufwärtswandlern entsprechen.

Transformatoren

Wie in Abbildung 3-1 und Abbildung 3-2 dargestellt, besteht die Struktur eines Transformators aus zwei verschiedenen Spulen, die lt. Abbildung auf der linken und rechten Seite eines „quadratischen“ Eisenkerns gewickelt sind. Dabei gibt es zwei Arten von Transformatoren, je nachdem, wie diese beiden Induktivitäten gewickelt sind. Der eine ist ein Transformator mit kumulativer Kopplung, der andere ist ein Transformator mit differentieller Kopplung.

Abbildung 3-1(1) zeigt einen Transformator mit kumulativer Kopplung. Wenn ein Strom von oben durch den linken Induktor in der durch den schwarzen Pfeil in der Abbildung angegebenen Richtung fließt, wird in dem linken Induktor ein magnetischer Fluss in Abwärtsrichtung erzeugt. Gleichzeitig wird im rechten Induktor durch den Eisenkern ein nach oben gerichteter magnetischer Fluss erzeugt. Fließt dagegen der Induktionsstrom von oben durch den rechten Induktor in der durch den schwarzen Pfeil in der Abbildung angegebenen Richtung, wird im rechten Induktor ein nach oben gerichteter magnetischer Fluss und im linken Induktor durch den Eisenkern gleichzeitig ein nach unten gerichteter magnetischer Fluss erzeugt. Dies wird als kumulative Kopplung bezeichnet, da die beiden Induktoren den magnetischen Fluss des jeweils anderen verstärken. Wie in Abbildung 3-1(2) gezeigt, werden zur Kennzeichnung im Schaltkreissymbol zwei Punkte (●) in der gleichen Richtung auf der linken und rechten Spule markiert.

Im anderen Fall ist in Abbildung 3-2(1) ein Transformator mit differentieller Kopplung dargestellt. Im Vergleich zu Abbildung 3-1(1) ist die Wicklungsrichtung der Spule auf der rechten Seite umgekehrt.  Da sich die beiden Induktoren in ihrem magnetischen Fluss schwächen, spricht man von einer differentiellen Kopplung. Im Schaltkreissymbol sind zwei Punkte (●) in entgegengesetzter Richtung auf der linken und rechten Spule markiert. Bei isolierten DC/DC-Wandlern hängt die Verwendung eines der beiden Transformatoren von der Art des Wandlers ab und die beiden Typen müssen klar unterschieden werden.

Isolierte Flyback-Wandler

Wie in Abbildung 4-1 dargestellt, wird die Schaltung mit einem Transformator mit Differentialkopplung konfiguriert, wobei sich die Primärseite auf der linken Seite des Transformators und die Sekundärseite auf der der rechten Seite befindet. Dies ist ein isolierter Sperrwandler. Anhand der Abbildungen 4-1 bis 4-3 möchte ich einen Überblick über den Betrieb des Sperrwandlers geben.

Schritt 1: Wie in Abbildung 4-1 dargestellt, beginnt beim Einschalten des Schalters S der abwärts gerichtete magnetische Fluss in der Primärspule und der aufwärts gerichtete magnetische Fluss in der durch den Eisenkern verbundenen Sekundärspule zuzunehmen. Nach der Lenz’schen Regel wird eine negative induzierte elektromotorische Kraft in der Sekundärspule erzeugt. Es findet jedoch keine Energieübertragung von der Primär- zur Sekundärspule statt, da die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist und kein Strom fließt. Das bedeutet, dass der Strom der Primärspule nur dazu dient Energie in der Primärspule zu speichern.

Schritt 2: Wie in Abbildung 4-2 gezeigt, wird der Induktionsstrom im Primärinduktor abgeschaltet, wenn der Schalter S ausgeschaltet wird, so dass der abwärts gerichtete magnetische Fluss zu null wird und der aufwärts gerichtete magnetische Fluss im Sekundärinduktor, der durch den Eisenkern verbunden ist, gleichzeitig zu null wird.

Nach der Lenz’schen Regel wird in der Sekundärspule eine positive induzierte elektromotorische Kraft erzeugt. Da die Diode zu diesem Zeitpunkt in Durchlassrichtung vorgespannt ist, wird ein Strom an den Ausgangskondensator Cout und die Verbraucher geliefert.

Die gesamte Energie, die im Transformator durch den Strom der Primärseite bei Einschalten des Schalters S gespeichert wird, wird als Strom an der Sekundärseite abgegeben, wenn Schalter S ausgeschaltet wird. Obwohl die Eingangs- und Ausgangsseite des Sperrwandlers durch einen Transformator isoliert sind, arbeiten Sperrwandler genau wie die in Abbildung 4-3 dargestellten DC/DC-Aufwärtswandler.

Ladungspumpe

Induktive DC/DC-Wandler können eine stabile Spannung mit hohem Wirkungsgrad erzeugen, indem sie das Zeitverhältnis zwischen Speicherung und Abgabe von magnetischer Energie an die Induktivität steuern. Durch Änderung der Schaltungskonfiguration der Eingangsstromversorgung, eines Gleichrichterelements, von Schaltern und einer Induktivität kann eine Boost- Buck- oder invertierte Spannung erzeugt werden.

Induktivitäten sind nicht die einzigen Elemente, die Energie speichern und abgeben können. 
Auch Kondensatoren können Energie in Form von Ladung speichern und abgeben und DC/DC-Wandler können auch ohne Induktoren umgesetzt werden. Dies nennt man eine Ladungspumpenschaltung.

Funktionsprinzip der Ladungspumpe

Eine Ladungspumpenschaltung lädt einen oder mehrere Kondensatoren aus der Eingangsstromversorgung auf und kann eine Aufwärts-, Abwärts-, oder invertierte Spannung in Bezug auf die Eingangsspannung erzeugen, indem sie die Anschlüsse dieser Kondensatoren mit Schaltern ändert.

Die Abbildungen 5-1 bis 5-3 veranschaulichen das Funktionsprinzip der Ladungspumpe.

Wie in Abbildung 5-1 dargestellt, fungiert ein Kondensator, der von der Eingangsstromversorgung aufgeladen wird, als temporäre Batterie. Dieser Kondensator wird als fliegender Kondensator bezeichnet. Betrachtet man einen Kondensator als Batterie, so kann man sich leicht vorstellen, dass durch Änderung der Anschlüsse dieser Batterie verschiedene Spannungen erzeugt werden können. Abbildung 5-2 zeigt das Konzept der Erzeugung von Abwärts-, Aufwärts-, und Invertierungsspannungen durch eine Ladungspumpe.

Buck

Wenn die Kondensatoren C1 und C2 mit der gleichen Kapazität in Reihe geschaltet sind und mit Vin geladen werden, beträgt die Spannung an jedem Kondensator Vin /2. Werden die Kondensatoren parallelgeschaltet, entsteht eine temporäre Batterie mit einer Spannung von Vin /2. Dies ist das Prinzip eines Abwärtswandlers mit Ladungspumpe.

Boost

Die Kondensatoren C1 und C2 mit der gleichen Kapazität werden parallelgeschaltet und mit Vin geladen. Wenn die Kondensatoren in Reihe geschaltet werden und die negative Seite mit der positiven (+) Seite von Vin verbunden wird, entsteht eine temporäre Batterie mit einer Spannung von 3 x Vin. Dies ist das Prinzip eines Boosts-Betriebs mit Ladungspumpe.

Invertieren

Ein mit Vin geladener Kondensator hat eine ähnliche Polarität wie eine normale Batterie. So wie der Anschluss der positiven (+) Seite einer Batterie an GND = 0 V eine negative von - Vin, so ergibt der Anschluss der positiven (+) Seite eines mit Vin geladenen Kondensators an GND = 0 V eine negative Stromversorgung mit einer Spannung von - Vin an der negativen (-) Ladeseite eines Kondensators. Dies ist das Prinzip eines invertierenden Betriebs mit Ladungspumpe.

Wie wird dann die eigentliche Ladungspumpe gesteuert? Als einfachstes Beispiel erkläre ich eine Doppelspannungs-Ladepumpe, wie in Abbildung 5-3 gezeigt.

Schritt 1: Der fliegende Kondensator Cf wird mit Vin aufgeladen, indem Schalter S1 auf GND und S2 auf die Vin Seite geschaltet wird. Der Glättungskondensator für die Spannungshaltung Cout liefert die doppelte Spannung von Vin und den von den Verbrauchern benötigten Strom.

Schritt 2: Cout wird mit der doppelten Spannung von Vin aufgeladen, indem Schalter S1 auf Vin Seite und Schalter S2 auf die Vout Seite geschaltet wird. Er liefert die doppelte Spannung von Vin und den von den Verbrauchern benötigten Strom.

Durch abwechselnde Wiederholung von Schritt 1 und Schritt 2 kann eine stabile Spannung und ein stabiler Strom erzeugt werden.

Merkmale von DC/DC-Ladungspumpen-Wandlern

Wie in Abbildung 5-1 bis Abbildung 5-3 dargestellt, ist das Funktionsprinzip sehr einfach und die Konstruktion äußerst leicht. Wie Leser, die unsere Artikelserie gelesen haben, vielleicht schon bemerkt haben, ist für einen stabilen Betrieb kein Phasendesign erforderlich, da es keine Rückkopplungsregelung gibt, um die Spannung konstant zu halten wie bei linearen Reglern und DC/DC-Wandlern.

Wie ein DC/DC-Wandler kann er Abwärts-, Aufwärts- und Invertierungsspannungen erzeugen. Die einzigen externen Komponenten sind der Ausgangskondensator Cout und ein oder mehrere fliegende Kondensatoren Cf.

Wie jedoch in Abbildung 5-1 bis Abbildung 5-3 dargestellt, wird der fliegende Kondensator, der als temporäre Batterie der Spannung von Vin entspricht, oder etwa ein Halb, ein Drittel und ein Viertel dieser Spannung. Daher sind die Schritte der Ausgangsspannung grob und die Feineinstellung ist schwierig. Die Ausgangsspannung schwankt außerdem proportional zur Eingangsspannung. Er wird nicht für Anwendungen verwendet, die eine hohe Genauigkeit erfordern. Auch der Ausgangsstrom ist durch die Kapazität des fliegenden Kondensators begrenzt. Und nicht nur das, der Ausgangsstrom kann nur vom Ausgangskondensator geliefert werden, wenn der Kondensator geladen ist und die Brummspannung steigt bei hohem Laststrom an. Aus diesen Gründen ist er nicht für Anwendungen geeignet, die hohe Ströme erfordern. 

Zusammenfassung

In diesen fünf Bänden über DC/DC-Wandler habe ich hauptsächlich nicht isolierte DC/DC-Wandler als Beispiel genommen und es wurden nur die Grundlagen der Wandler erwähnt. Bei den isolierten DC/DC-Wandlern habe ich nur die Sperrwandler als Beispiel erläutert. Ich würde sagen, dass wir gerade dabei sind die grundlegenden Konzepte von DC/DC-Wandlern kennenzulernen. Dieser Kurs ist als Einstiegskurs für DC/DC-Wandler gedacht.

Bisher habe ich Linearregler und DC/DC-Wandler (Schaltregler) im Zusammenhang der Power-Management ICs erklärt, die die von den einzelnen Geräten benötigte Spannung und Strom aus der Eingangsstromversorgung liefern. Damit diese Power-Management-ICs ordnungsgemäß funktionieren, muss die Eingangsstromversorgung eine angemessene Spannung liefern und die Power-Management-ICs selbst müssen wie erwartet funktionieren und es muss entsprechend überwacht werden, ob diese Stromversorgungen ordnungsgemäß funktionieren. Deshalb werde ich in der nächsten Folge das Thema wechseln. Das nächste Abschnitt wird ICs für die Überwachung der Stromversorgung betrachten.
 

• 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