Hocheffiziente Designs für DC/DC-Wandler mit niedrigem Stromverbrauch

04.08.2023
Schaltplan mit Dioden, Induktivitäten und Kondensatoren
DC/DC-Wandlerlösungen können auf eine lange Historie technischer Fortschritte zurückblicken, die mit der Erfindung moderner Schaltwandler-Topologien begann. Kompakte Bauform und Kosteneffizienz sind entscheidend für Anwendungen, die kompakte Niedrigleistungs-DC/DC-Wandler erfordern. RECOM ist führend bei der Auswahl geeigneter Designs für die optimale Kombination aus Kosten, Größe und Leistung – aktuelle Lösungen umfassen Wandler mit hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad, die kompakt sind und eine geringe Verlustleistung aufweisen. Lesen Sie weiter, um mehr über die Entwicklung und aktuelle Fortschritte bei DC/DC-Wandlern mit niedrigem Stromverbrauch zu erfahren.

Inhaltsverzeichnis

Die Umwandlung einer DC-Spannung in einer elektronischen Schaltung blickt auf über fünfzig Jahre zunehmender technischer Raffinesse zurück – moderne Designs erreichen eine extrem hohe Leistungsdichte, begleitet von kontinuierlichen Fortschritten beim Wirkungsgrad, um die Verlustleistung zu minimieren. Die aktuellen DC/DC-Wandlerlösungen von RECOM integrieren zahlreiche Innovationen aus dem Bereich der Hochleistungs-Schaltwandler, um Niedrigleistungs-Konverter in den kleinsten verfügbaren Gehäuseformaten effizient umzusetzen.

Die ersten Lösungen für die DC/DC-Wandlung waren allesamt rauscharme, lineare Designs, die einfach zu implementieren waren, jedoch zwei wesentliche Nachteile aufwiesen. Erstens musste die Ausgangsspannung stets unterhalb der Eingangsspannung liegen. Ein linearer Regler ist zudem sehr ineffizient und wandelt einen erheblichen Teil der zugeführten Energie in Wärme um. Zweitens kann der Wirkungsgrad solcher Linearregler – abhängig von der Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung – bei lediglich 60% oder sogar darunter liegen.

Die Erfindung des schaltenden DC/DC-Wandlers löste zwar beide Probleme, erforderte jedoch eine komplexere Entwicklungsmethodik. Im Gegensatz zu linearen Designs nutzen Schaltregler die energiespeichernden Eigenschaften von induktiven und kapazitiven Komponenten, um Energie in diskreten Paketen zu übertragen. Diese Stromimpulse werden entweder im Magnetfeld einer Induktivität oder im elektrischen Feld eines Kondensators zwischengespeichert.
Blockdiagramm eines Stromversorgungssystems
Abb. 1: Vereinfachtes Blockdiagramm eines Schaltreglers
Die Schaltsteuerung stellt sicher, dass bei jedem Schaltzyklus nur die von der Last tatsächlich benötigte Leistung übertragen wird, was diese Topologie besonders effizient macht. Die besten Designs erreichen Wirkungsgrade von 97% oder mehr. Abbildung 1 zeigt das vereinfachte Blockdiagramm eines schaltenden DC/DC-Wandlers.

Die Schaltfunktion in Abbildung 1 wird von Leistungstransistoren übernommen, die in einer kontrollierten Abfolge zwischen ihren hocheffizienten „Ein“- und „Aus“-Zuständen umschalten. Dies steht im Gegensatz zum kontinuierlichen Betrieb eines linearen Designs. Ein schaltender DC/DC-Wandler kann eine Ausgangsspannung erzeugen, die entweder höher oder niedriger als die Eingangsspannung ist (Step-Up oder Step-Down) oder die Spannung vom Eingang zum Ausgang invertieren.

Der Ausgang kann entweder geregelt oder ungeregelt sein. Die Ausgangsspannung eines ungeregelten Konverters variiert deutlich bei Schwankungen des Laststroms oder der Eingangsspannung. Bei einem geregelten Design führt eine Rückkopplungsregelschleife (gepunktete Linie) die Ausgangsspannung zurück zum Schaltblock. Dadurch wird der Schaltvorgang angepasst, um Abweichungen der Ausgangsspannung vom Sollwert zu kompensieren – unabhängig davon, ob sie durch Änderungen der Eingangsspannung (z.B. eine sich langsam entladende Versorgungsbatterie) oder durch Laständerungen verursacht werden.

Die einfachsten Schalttopologien besitzen einen gemeinsamen Massestrompfad zwischen Eingang und Ausgang und sind daher nicht isoliert, wobei das induktive Element typischerweise eine Spule ist. Ein isolierter Wandler hingegen bietet eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang, da die Energieübertragung über ein elektromagnetisches Feld erfolgt, das durch die magnetische Kopplung der Wicklungen eines Transformators erzeugt wird. Da der Ausgang elektrisch vom Eingang getrennt ist, spielt die Polarität der Eingangsspannung gegenüber dem Ausgang keine Rolle. Bei einem linearen Design hingegen fließt der Erdungsstrom direkt zwischen Eingang und Ausgang; eine Isolation ist somit nicht möglich – es werden lediglich drei Pins benötigt: Vin, gemeinsame Masse und Vout.

Schalttopologien für kompakte Niedrigleistungs-DC/DC-Wandler

Bei der Entwicklung von Stromversorgungen ist es nahezu selbstverständlich, dass eine bessere Leistung mit höheren Kosten, gesteigerter Komplexität und größerem Platzbedarf einhergeht. Da Anwender kompakter DC/DC-Wandler großen Wert auf minimale Baugröße und Kosteneffizienz legen, stellt sich die Frage, wie RECOM diese Anforderungen in seinen isolierten DC/DC-Wandlern mit niedrigem Stromverbrauch umsetzt.

Die Push-Pull-Topologie wird häufig für isolierte DC/DC-Wandler eingesetzt. Sie ist eine kostengünstige Lösung zur Erzeugung höherer, niedrigerer oder invertierter Spannungen, da das Übersetzungsverhältnis des Transformators das Verhältnis der Ausgangsspannung bestimmt. Die Topologie ist einfach aufgebaut, bietet eine akzeptable Effizienz und verursacht relativ geringe elektromagnetische Emissionen.
Schaltplan eines Oszillators mit Transformator und Dioden
Abb. 2: Push-Pull DC/DC-Wandler mit ungeregeltem Ausgang
Abbildung 2 zeigt das Blockdiagramm eines isolierten Push-Pull-DC/DC-Wandlers mit einem ungeregelten Ausgang. Um Platz zu sparen, können der Oszillator und die Treibertransistoren in einem speziellen Push-Pull-Transformator-Treiber-IC integriert werden. Für einen geregelten Ausgang sieht der einfachste Ansatz die Ergänzung eines linearen Reglers auf der Sekundärseite vor, in Reihe mit der +Vout-Leitung, wie in Abbildung 3 dargestellt. Dieser Aufbau erfüllt die Anforderungen an eine einfache Regelung und eignet sich besonders für DC/DC-Designs mit sehr geringer Ausgangsleistung. Ein Beispiel ist die RECOM RYK-Serie, bei der der lineare Regler sowohl Kurzschlussschutz als auch einen geregelten, rauscharmen Ausgang bereitstellt.
Schaltplan eines Oszillators und Spannungsreglers
Abb. 3: Push-Pull DC/DC-Wandler mit geregeltem Ausgang
Diese Art von Design kann Wirkungsgrade von etwa 65–75% erreichen. Bei Ausgangsleistungen über 1W oder 2W wird die Maximierung des Wirkungsgrads zur höheren Priorität, was eine weitere Verfeinerung des Schaltungsdesigns erforderlich macht. Daher kommt anstelle der sekundärseitigen Regelung zunehmend die primärseitige Regelung zum Einsatz. Anstelle eines linearen Reglers wird dabei die Ausgangsspannung auf der Sekundärseite überwacht und mit dem Sollwert verglichen, um eine Fehlerspannung zu erzeugen. Diese wird anschließend an den Oszillator-Controller auf der Primärseite zurückgeführt.

Dieser passt die Schaltfrequenz an, um den Regelabweichungsfehler zu minimieren. Da es sich um ein isoliertes Design handelt, muss auch das Fehlersignal galvanisch getrennt übertragen werden. Abbildung 4 zeigt diesen Regelansatz, der in den geregelten DC/DC-Wandlern von RECOM ab 3W Leistung eingesetzt wird und Wirkungsgrade von etwa 85% ermöglicht.
Schematisches Diagramm eines elektrischen Schaltkreises mit Komponenten
Abb. 4: Das sekundärseitige Fehlersignal liefert eine Rückmeldung an den primärseitigen Regler
Für DC/DC-Wandler mit noch höherer Ausgangsleistung ist ein weiterentwickelter Ansatz erforderlich. Nicht nur der zuvor beschriebene lineare Regler verursacht Energieverluste, auch die beiden sekundärseitigen Dioden stellen signifikante Verlustquellen dar. Eine typische Leistungsdiode weist einen Vorwärtsspannungsabfall von etwa 0,5V auf, was bei einem Strom von 1A einem Leistungsverlust von 0,5W entspricht. Die effizientere Lösung besteht darin, sowohl die Dioden als auch den Linearregler durch einen Synchrongleichrichter zu ersetzen, der aus zwei FETs und einer passenden Steuerelektronik besteht.

Abbildung 5 stellt die beiden Ansätze gegenüber. Die FETs fungieren als aktive Gleichrichter, indem sie sich während der Vorwärtsphase des Zyklus einschalten und während der Rückwärtsphase ausschalten. Die Kombination aus schnellem Schaltverhalten und einem sehr niedrigen Einschaltwiderstand RDS(ON) von etwa 10mΩ macht FETs zu idealen Komponenten für eine effiziente Gleichrichtung.
Elektrischer Schaltkreis vor und nach der Vereinfachung
Abb. 5: Passive Gleichrichtung (links) vs. synchrone Gleichrichtung (rechts)
Der Nachteil ist, dass FETs aktiv angesteuert werden müssen. Dazu sind zusätzliche Timing- und Ansteuerungsschaltungen erforderlich, die die internen Spannungen erfassen und die beiden FETs synchron zur Ausgangswellenform korrekt ein- und ausschalten. Dioden sind passive Bauelemente, die ohne zusätzliche Steuerlogik funktionieren. Der höhere Wirkungsgrad, den die synchrone Gleichrichtung bietet, überwiegt jedoch die höhere Komplexität und Kosten insbesondere bei Konvertern mit höherem Ausgangsstrom deutlich.

Der Synchrongleichrichter kommt in RECOMs RP20-Serie von 20-Watt-DC/DC-Wandlern zum Einsatz, die Wirkungsgrade von bis zu 89% erreichen können. Dieses Design integriert auch das zuvor beschriebene isolierte Fehlersignal. Der RP20, dargestellt in Abbildung 6, erzielt Wirkungsgrade von 85–89% über einen weiten Lastbereich.
Schematische Darstellung eines isolierten DC/DC-Wandlers
Abb. 6: Der RP20 verfügt über zahlreiche Designtechniken zur Steigerung der Effizienz

Fazit

Designtechniken, die ursprünglich aus größeren Stromversorgungen stammen, werden zunehmend auch auf DC/DC-Wandler mit geringer Leistung angewandt, was zu höheren Wirkungsgraden führt. Da sich die Prioritäten der Kunden mit steigender Ausgangsleistung verändern, sind entsprechende Modifikationen erforderlich. RECOM ist führend bei der Auswahl geeigneter Designs für die optimale Kombination aus Kosten, Größe und Leistung.
Anwendungen
  Serie
1 DC/DC, 1 W, Single Output, THT RYK Series
Fokus
  • Low cost
  • 1:1 Input voltage range
  • Efficiency up to 81%
  • 4kVDC/1 second isolation
2 DC/DC, 20 W, THT RP20-A Series
  • 2:1 input voltage range
  • 1.6kVDC isolation
  • UL certified
  • Efficiency up to 91%
3 DC/DC, 20 W, THT RP20-AW Series
  • 4:1 wide input voltage range
  • 1.6kVDC isolation
  • UL certified
  • Efficiency up to 90%
4 DC/DC, 20 W, THT RP20-F Series
  • 2:1 input voltage range
  • 1.6kVDC isolation
  • UL certified
  • Efficiency up to 89%
5 DC/DC, 20 W, THT RP20-FR Series
  • Wide 4:1 input voltage range
  • 2.25kVDC isolation
  • Efficiency up to 89%
  • Six-sided continuous shield
6 DC/DC, 20 W, THT RP20-FW Series
  • Wide 4:1 input voltage range
  • 1.6kVDC isolation
  • UL certified
  • Efficiency up to 89%