Power-Tipps von TI, Teil 1 Auswahl der richtigen Betriebsfrequenz für eine Stromversorgung

Autor / Redakteur: Robert Kollman* / Johann Wiesböck

Heute werden Stromversorgungslösungen benötigt, die nicht nur hohe Wirkungsgrade aufweisen sondern auch kostengünstig und zukunftssicher einzusetzen sind. Deshalb haben wir diese Kolumne ins Leben gerufen, in der Sie künftig wertvolle Tipps rund um das Thema Power-Management finden werden. Teil 1 befasst sich mit der Auswahl der richtigen Betriebsfrequenz für eine Stromversorgung.

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* Der Autor: Robert Kollman von Texas Instruments blickt auf gut 30 Jahre Erfahrung im Bereich Leistungselektronik zurück. Er freut sich über Kommentare zur Serie "Power-Tipps" unter (powertips@list.ti.com).
* Der Autor: Robert Kollman von Texas Instruments blickt auf gut 30 Jahre Erfahrung im Bereich Leistungselektronik zurück. Er freut sich über Kommentare zur Serie "Power-Tipps" unter (powertips@list.ti.com).
(Bild: ti.com)

Herzlich willkommen bei den Power-Tipps von Texas Instruments, für Sie aufbereitet von ELEKTRONIKPRAXIS. Diese Kolumne richtet sich an Ingenieure auf allen Ebenen der Elektronikentwicklung.

Ob Sie im Stromversorgungsgeschäft ein alter Hase oder ein Newcomer sind – hier findet jeder die eine oder andere wertvolle Information für sein nächstes Entwicklungsprojekt.

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Sie finden diese Kolumne ab sofort in jeder Ausgabe von ELEKTRONIKPRAXIS. Der Autor freut sich über jeden Kommentare (powertips@list.ti.com) und hoffe, dass Ihnen die Kolumne gefällt.

Tipp 1: Auswahl der richtigen Betriebsfrequenz für eine Stromversorgung

Die Auswahl der richtigen Schaltfrequenz für eine Stromversorgungslösung ist eine komplexe Abwägung zwischen den drei Faktoren Größe, Wirkungsgrad und Kosten. Ein erheblicher Anteil am Volumen einer Stromversorgung entfällt auf das Filter, das umso kleiner wird, je höher die gewählte Schaltfrequenz ist.

Jeder Schaltvorgang findet innerhalb einer endlichen Zeitspanne statt und ist mit Energieverlusten behaftet: Je höher die Schaltfrequenz, desto größer sind die einhergehenden Schaltverluste, und desto niedriger fällt der Wirkungsgrad aus. Bei einem Betrieb mit höheren Schaltfrequenzen verringern sich die Werte der Filterbauelemente.

Dies kann also bei einer Stromversorgung zu beträchtlichen Kosteneinsparungen führen. In den folgenden Abschnitten wollen wir anhand eines simplen Abwärtsschaltreglers veranschaulichen, welche Folgen Änderungen an einem der drei Parameter jeweils haben.

Bild 1 zeigt das Schaltbild eines Abwärtsschaltreglers und ein Diagramm mit dem Volumen in Abhängigkeit von der Frequenz. Am unteren Ende der Frequenzskala (100 kHz) hat die Induktivität den größten Anteil am Gesamtvolumen. Unter der Voraussetzung, dass das Volumen der Induktivität ihrer Energie entspricht, sinkt das Volumen direkt proportional zur Frequenz.

Dies ist allerdings eine eher optimistische Annahme, denn bei einer bestimmten Frequenz steigen die Ummagnetisierungsverluste in der Induktivität, so dass einer weiteren Verkleinerung Grenzen gesetzt sind. Verwendet man Keramikkondensatoren, dann verringert sich die Größe des ausgangsseitigen Kondensators mit der Frequenz, da bei höheren Frequenzen auch niedrigere Kapazitätswerte genügen.

Bei niedrigen Frequenzen dominieren Passive den Schaltregler

Andererseits dimensioniert man die eingangsseitigen Kondensatoren anhand der vorgegebenen maximalen Welligkeit. Diese ändert sich mit der Frequenz nur unwesentlich, so dass deren Volumen tendenziell konstant bleibt. Schließlich ist im Diagramm dargestellt, welcher Volumenanteil in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz auf die im Schaltregler enthaltenen Halbleiter entfällt.

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