Boost-Regler: Wie Sie den maximalen Boost-Faktor umgehen

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Hohe Spannungen: Wir stellen ein zweistufiges Konzept vor, mit dem sich aus niedrigen Spannungen hohe Spannungen erzeugen lassen, die nicht durch den maximalen Boost-Faktor limitiert sind.
Hohe Spannungen: Wir stellen ein zweistufiges Konzept vor, mit dem sich aus niedrigen Spannungen hohe Spannungen erzeugen lassen, die nicht durch den maximalen Boost-Faktor limitiert sind. (Bild: VCG)

Bei Aufwärtswandlern limitiert der Boost-Faktor die Höhe der Ausgangsspannung. Der Maximalwert liegt zwischen 3 und 7. Mit einem zweistufigen Konzept lässt sich dies umgehen. Wir zeigen wie.

Wenn eine hohe Spannung aus einer niedrigen Spannung erzeugt werden soll, können Aufwärtswandler (Boost-Regler) eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um eine der drei elementaren Schaltregler-Topologien, bei der nur zwei Schalter, eine Induktivität sowie Eingangs- und Ausgangskondensatoren benötigt werden.

Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Aufwärtswandlers. Während der Einschaltzeit ist der Schalter S1 geschlossen und es wird Energie in der Spule L gespeichert. Der Spulenstrom steigt linear mit dem Spannungsunterschied zwischen der Eingangsspannung und Massepotential, also mit der Eingangsspannung an.

Während des Ausschaltens, wenn S1 offen und S2 geschlossen ist, wird die in der Induktivität gespeicherte Energie an den Ausgang abgegeben. Die Spannung über der Induktivität entspricht in dieser Zeitperiode der Ausgangsspannung minus der Eingangsspannung.

Damit dieses Wechselspiel funktioniert, muss sowohl zum Laden der Induktivität als auch zum Entladen genügend Zeit zur Verfügung stehen. Die Regelschleife kann man sich folgendermaßen vorstellen: Wenn mehr Energie am Ausgang benötigt wird, muss mehr Energie vom Eingang zum Ausgang gebracht werden. Dafür ist mehr zwischengespeicherte Energie in der Induktivität notwendig.

Der Schalter S1 muss also länger leiten. Dadurch steht jedoch bei einer festen Schaltfrequenz weniger Zeit zur Verfügung, um die Energie während der Ausschaltdauer wieder aus der Induktivität herauszuholen. Als Folge würde die Ausgangsspannung unter den eingestellten Sollwert absinken. Dies ist ein spezieller Nachteil der Aufwärtswandler. Denn dadurch gibt es einen Grenzwert, der festlegt, um wieviel die erzeugte Ausgangsspannung größer als die verfügbare Eingangsspannung sein darf. In typischen Anwendungen liegt dieser maximale Boost-Faktor zwischen 3 und 7.

Bild 2 zeigt eine Kurve, die das typische Verhältnis zwischen dem möglichen maximalen Boost-Faktor und dem jeweiligen Tastverhältnis darstellt. Die Kurve verändert sich aufgrund des Verhältnisses zwischen dem Lastwiderstand am Ausgang des Boost-Reglers und dem DC-Widerstand der Induktivität. Im gezeigten Diagramm wurde ein Lastwiderstand von 100 Ohm ausgewählt. Bei einer Ausgangsspannung von 48 V entspricht dies einem Laststrom von 480 mA.

Wenn der Serienwiderstand (DCR) der Induktivität 2 Ohm beträgt, ist nur ein maximaler Boost-Faktor von knapp über 3 möglich. Bei einem DCR von 1 Ohm könnte man einen Boost-Faktor von knapp über 5 realisieren. Für höhere Boost-Faktoren müssen Induktivitäten ausgewählt werden, die möglichst kleine Serienwiderstände haben.

Versorgungsspannung zweistufig auf 240 V erhöhen

Wenn in einer Anwendung ein höherer Boost-Faktor benötigt wird, bietet sich ein zweistufiges Konzept an. Der LTC7840 beinhaltet zwei Boost-Controller in einem Chip. Hiermit lassen sich zweistufige Wandlerkonzepte einfach realisieren.

In Bild 3 ist ein Beispiel mit einer Versorgungsspannung von 12 V gezeigt, die auf 240 V erhöht wird. Die beiden Boost-Stufen teilen sich die Spannungserhöhung auf, sodass jede einzelne Stufe die Spannung nur um den Faktor von circa 4,5 erhöhen muss.

Mit einem zweistufigem Konzept können Sie also Boost-Faktoren realisieren, die weit höher als 7 liegen. Um die Eingangsspannung stark zu erhöhen, können Sie natürlich auch eine transformatorbasierte Topologie auswählen. Beispielsweise ist ein Sperrwandler (Flyback) durchaus beliebt.

Wenn aber keine galvanische Trennung erforderlich ist, bietet ein zweistufiges Boost-Konzept einige Vorteile gegenüber einem Sperrwandler. Es ist kein großer und teurer Transformator notwendig, die Schaltfrequenzen sind nicht durch die Verluste im Transformatorkern begrenzt und die Belastung der Quelle erfolgt kontinuierlich und nicht pulsförmig.

Aus diesen Gründen sollten Sie ein zweistufiges Boost-Konzept für viele Anwendungen in die engere Wahl ziehen.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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