Power-Tipp

Negative Spannungen mit invertierenden Buck-Boost-Wandlern erzeugen

18.11.13 | Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Bild 1: Blockschaltbild einer invertierenden Buck-Boost-Schaltung
Bild 1: Blockschaltbild einer invertierenden Buck-Boost-Schaltung (Bild: ADI)

In einem der letzten Power-Management-Tipps wurde das Erzeugen einer negativen Spannung mit einer CUK-Topologie vorgestellt. Eine weitere Möglichkeit eine negative Spannung zu erzeugen, ist die invertierende Buck-Boost-Topologie.

Die invertierende Buck-Boost-Topologie wandelt eine positive Spannung in eine negative Spannung, welche im Betrag höher oder niedriger als die Eingangsspannung sein kann. Es ist also beispielsweise möglich, aus einer Eingangsspannung von 12 V Spannungen von –15 oder –5 V zu generieren. Diese Fähigkeiten erklären die Namensgebung ‚invertierend Buck Boost‘.

Als Schaltregler ICs können alle Regler verwendet werden, welche für die Buck(Abwärtswandler)-Topologie geeignet sind. Eine Buck-Topologie, bei der die Ausgangsspannung an die Systemmasse angeschlossen ist, erzeugt an der Schaltregler-Masse eine negative Spannung. Bild 1 zeigt ein Schaltbild einer invertierenden Buck-Boost-Schaltung.

Bei der Auswahl eines passenden Abwärtswandler-Schaltreglers ist folgendes zu beachten. In einer invertierenden Buck-Boost-Topologie ist die maximale Strombelastbarkeit am Ausgang sowie die maximal mögliche Eingangsspannung abhängig vom Verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsspannung. In der Abwärtswandler-Topologie ist dies nicht so.

Hier kann ein Schaltregler, welcher für einen Ausgangsstrom von 1 A ausgelegt ist, unabhängig von der Eingangs- und Ausgangsspannung immer 1 A Strom liefern. Bei der Spannungsfestigkeit des Reglers muss nur sichergestellt werden, dass die Eingangsspannung unterhalb der maximalen Spannungsfestigkeit des Schaltregler-ICs liegt.

Regeln für invertierende Buck-Boost-Wandler

In der invertierenden Buck-Boost-Topologie gilt die Regel, dass die Eingangsspannung plus den Betrag der Ausgangsspannung kleiner als die maximal zulässige Spannung des Schaltregler-ICs sein muss. Wenn beispielsweise eine 24-V-Eingangsspannung vorhanden ist und eine Ausgangsspannung von –5 V erzeugt werden soll, muss der Schaltregler-IC für mindestens 29 V ausgelegt sein. Der maximal mögliche Ausgangsstrom ist abhängig vom Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung sowie weiteren Parametern.

Der ADP2441 von Analog Devices eignet sich besonders für die invertierende Buck-Boost-Topologie, da er eine maximale Spannung bis 36 V unterstützt.

Bei der invertierenden Buck-Boost-Topologie ist zu beachten, dass sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig pulsierende Ströme auftreten. Diese werden von der Eingangs- und Ausgangskapazität zwar teilweise ausgeglichen, dennoch ergibt sich eine höhere Spannungswelligkeit sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig als bei der konkurrierenden CUK-Topologie. Ein Vorteil der invertierenden Buck-Boost-Topologie ist, dass nur eine Induktivität notwendig ist.

Entwicklungswerkzeuge, die das Leben vereinfachen

Bild 2: Um eine invertierende Buck-Boost-Schaltung mit einem ADP2441 zu evaluieren, eignet sich die Simulationssoftware ADIsimPower.
Bild 2: Um eine invertierende Buck-Boost-Schaltung mit einem ADP2441 zu evaluieren, eignet sich die Simulationssoftware ADIsimPower. (Bild: ADI)

Um schnell eine passende Schaltung für eine invertierende Buck-Boost-Anwendung zu dimensionieren, gibt es von Analog Devices ein einfach zu verwendendes Entwicklungswerkzeug auf Basis einer Excel-Tabellenkalkulation aus der Familie ADIsimPower. Bild 2 zeigt die Benutzeroberfläche.

Das Werkzeug kann kostenfrei von der Analog Devices Internetseite aus dem Produktordner des ADP2441 heruntergeladen werden. Als erster Schritt wird der Eingangsspannungsbereich sowie die gewünschte negative Ausgangsspannung angegeben. Dann können unterschiedliche Optimierungsalgorithmen für die Schaltung gewählt werden.

Optimieren lassen sich die Kosten, die Effizienz oder der Platzbedarf. Weitere interessante Parameter wie beispielsweise die geduldete Ausgangsspannungsveränderung bei unterschiedlichen Lasttransienten können unter den Einstellungen ‚Advanced Settings‘ spezifiziert werden.

Das Werkzeug enthält eine große Datenbank mit den Werten von echten externen Bauteilen. Von diesen wird nicht einfach nur der nominale Wert berücksichtigt, sondern der tatsächliche Wert. Beispielsweise hat eine gebräuchlicheSpule mit einer Induktivität von 4,7 µH in normalem Betrieb durch die Eigenerwärmung einen geringeren Induktivitätswert. Ebenfalls verringern manche keramische Kondensatoren ihre Kapazität, wenn an ihnen eine DC-Spannung anliegt. Auch diese Effekte werden berücksichtigt, damit das berechnete Verhalten der Schaltung sehr realitätsnah ist.

Durch verfügbare Werkzeuge wird es Elektronikentwicklern sehr einfach gemacht, auch weniger bekannte Schaltregler-Topologien für negative Spannungen schnell umzusetzen. Der ADP2441 eignet sich besonders für diese Topologie, da er hoch integriert ist und einen weiten Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 36 V hat, was besonders in der invertierenden Buck-Boost-Topologie von Vorteil ist.

* Frederik Dostal ist bei Analog Devices in München im technischen Bereich für Power Management in Industrieanwendungen zuständig.

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