Power-Tipp

Die minimale Einschaltzeit kann sehr wichtig sein

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

Bild 1: Aufteilung einer Taktperiode eines Schaltreglers
Bild 1: Aufteilung einer Taktperiode eines Schaltreglers (Bild: Analog Devices)

Beim Entwurf einer Stromversorgung wird die minimale Einschaltzeit gerne einmal übersehen. Gerade bei hohen Schaltfrequenzen von 1 MHz ergeben sich dann jedoch Probleme.

Bei der Auswahl eines passenden Schaltreglers für eine Stromversorgung gibt es einige entscheidende Parameter. Zu den wichtigsten zählen der Eingangsspannungsbereich, der mögliche Ausgangsstrom sowie häufig die maximal mögliche Schaltfrequenz. Diese Parameter finden sich gewöhnlich auf der ersten Seite des Datenblattes eines Schaltreglers.

Häufig wird jedoch die Größe, die das Eingangs- zu Ausgangsspannungsverhältnis mit der Schaltfrequenz verknüpft, übersehen. Es ist die minimale Einschaltzeit. Diese wird manchmal nicht beachtet oder erst zu spät im Schaltungsentwurf berücksichtigt, wenn die Entscheidung für einen Schaltregler IC bereits gefallen ist.

Hat man beispielsweise eine Versorgungsspannung von 24 V (nominal, ±20%) zur Verfügung und möchte man 3,3 V generieren, ergibt sich eine prozentuale minimale Einschaltzeit von 3,3 V / 28,8 V = 0,115.

Der Schalttransistor eines Abwärtswandlers wäre also zu 11,5% der Zeit eingeschaltet und zu 88,5% abgeschaltet. Wenn aus Gründen des Platzbedarfs der Schaltung sowie wegen Kostenoptimierung eine hohe Schaltfrequenz von 1 MHz ausgewählt wird, muss man ganz dringend auf die minimale Einschaltzeit achten. Einer Taktperiode bei 1 MHz entsprechen 1000 ns. Somit wäre bei obigem Beispiel der Schaltransistor für 115 ns eingeschaltet und für 885 ns abgeschaltet.

Wenn ein Schaltregler nicht in der Lage ist diese kurze Einschaltzeit darzustellen, muss entweder eine langsamere Schaltfrequenz ausgewählt werden oder aber der Schaltregler verfällt in einen Modus, in dem die feste Schaltfrequenz nicht mehr haltbar ist und die Schaltung in eine Art Burstmodus oder Pulse-skipping verfällt, um die Ausgangsspannung geregelt zu halten.

Dies geht mit einer unbestimmten Schaltfrequenz sowie einer erhöhten Welligkeit der Ausgangsspannung einher. Beides ist in vielen Anwendungen unerwünscht. Bild 1 zeigt in Rot eine minimale Einschaltzeit in Bezug zu einer Taktperiode T.

Besonders bei Anwendungen in der Industrieelektronik trifft man das oben beschriebene Problem häufig an. Hier ist eine 24-V-Spannungsversorgung weit verbreitet. Die zu versorgende Elektronik benötigt durch die Strukturbreitenverringerungen der digitalen Mikrochips aber immer niedrigere Spannungen. Wo früher noch 5 V notwendig waren, sind es heute 3,3, 2,5 V oder sogar noch niedrigere Spannungen.

Vor vielen Jahren, als die Schaltfrequenz bei vielen Schaltreglern noch unter 300 kHz lag, wurde die minimale Einschaltzeit häufig überhaupt nicht charakterisiert und auch in den Datenblättern nicht kommuniziert. Heute wird sie in aller Regel angegeben, aber teilweise nur mit einem typischen Wert. Dies ist aber nicht ausreichend, um bei hohen Schaltfrequenzen sicher zu stellen, dass die feste Schaltfrequenz beibehalten wird.

Bild 2: Schaltregler in einem Abwärtswandler von 24 V nominaler Eingangsspannung (±20%) nach 2-V-Ausgangsspannung bei 1 MHz Schaltfrequenz
Bild 2: Schaltregler in einem Abwärtswandler von 24 V nominaler Eingangsspannung (±20%) nach 2-V-Ausgangsspannung bei 1 MHz Schaltfrequenz (Bild: Analog Devices)

Ein Beispiel für einen IC welcher bezüglich der minimalen Einschaltzeit sehr genau spezifiziert ist, ist der ADP2441. Er zeichnet sich durch eine besondere Architektur aus, bei welcher sehr kurze Einschaltzeiten möglich sind. Im Datenblatt wird eine minimale Einschaltzeit von typisch 50 ns und als maximaler Wert, über den kompletten Temperaturbereich, 65 ns angegeben. Somit kann man bei einer Schaltfrequenz von 1 MHz ein Duty-Cycle von 7% zuverlässig erreichen. Dies entspricht einer möglichen Konvertierung von 28,8 auf ca. 2 V. Bild 2 zeigt eine Beispielschaltung mit dem ADP2441.

Zusammenfassend kann man feststellen, dass man auch bei hohen Eingangsspannungen und niedrigen Ausgangsspannungen mit dem richtigen Schaltregler IC mit einer sehr hohen Schaltfrequenz arbeiten kann. Dies verkleinert den Platzbedarf der Stromversorgung durch die kleinere Speicherdrossel und reduziert die Kosten. Grundlage für diese Erwägungen ist eine exakte Spezifizierung der minimalen Einschaltzeit des Schaltregler Bausteins.

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

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