Schaltregler DC/DC-Wandler unterstützen komplexe Versorgung von Akku und Batterie

Autor / Redakteur: Carl Schramm* / Sabine Grothe

Bei Akku- und Batterieanwendungen legt man andere Maßstäbe an einen DC/DC-Wandler an als an die sonst üblichen Anwendungen, die aus netzversorgten Spannungsquellen gespeist werden. Zu diesen Anforderungen zählen ein extrem hoher Wirkungsgrad, eine Standby-Funktion mit niedrigem Eingangsruhestrom und meistens auch eine kleine Bauform. Dafür entfällt – eben wegen des Akkueinsatzes – die galvanische Trennung. Am Beispiel eines DC/DC-Wandlers im 10-Pin-SMD-Gehäuse lässt sich zeigen, wie der Anwender die gewünschten Voraussetzungen umsetzen kann.

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( Bild: www.pixelquelle.de )

Selbst wenn ein Schaltregler mit einem hohen Wirkungsgrad aufwarten kann, bedeutet das nicht, dass sich damit die in einer Batterie oder einem Akkumulator gespeicherte Energie nahezu vollständig nutzen lässt. Es kommt auch darauf an, wie groß der Eingangsspannungsbereich eines Schaltreglers ausfällt. Die Ladespannung eines Akkus ist immer höher als seine Nominalspannung, wobei auch nach der Ladung am Akku eine Spannungsüberhöhung gegenüber dem Nominalwert auftritt. Das bedeutet, dass die maximale Ladespannung für den Maximalwert der Eingangsspannung gleichzusetzen ist. Am Ende des Entladezyklus brechen die Zellen nacheinander zusammen, sodass die Ausgangsspannung des Akkus rapide um jeweils eine Zellenspannung abnimmt. Ist der untere Wert des Eingangsspannungsbereiches entsprechend klein, lässt sich die verbleibende Restenergie des Akkupacks entsprechend nutzen.

Anforderungen, wie die eben geschilderten, erfüllen beispielsweise die Schaltregler der Familien R-78xx von RECOM. Ihre Eingangsspannungen umfassen je nach Ausgangsspannung für die 0,5-A-Versionen 4,75 bis 34 V. Wie Bild 1 und Bild 2 zeigen, sind je nach Ein- und Ausgangsspannungen sowie Lastbedingungen Wirkungsgrade bis 97 % möglich. Da batterie- und akkugespeiste Systeme, wie beispielsweise Outdoor-Anwendungen, unter Umständen hohen Temperaturen ausgesetzt werden, liegen oft auch im System hohe Umgebungstemperaturen für die Schaltregler im Betrieb vor, wenn keine zusätzliche Kühlmöglichkeit besteht. Bei Umgebungstemperaturen von 71°C liefern diese Wandler laut Hersteller 100% der spezifizierten Leistung, bei 85°C Umgebungstemperatur immerhin noch 60% – ohne Einsatz zusätzlicher Kühlung oder Kühlkörper.

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Isolierte Wandler nur bedingt einsetzen

Isolierte Wandler sollte der Anwender nur verwenden, wenn dies unbedingt für die Applikation erforderlich ist. Die Wirkungsgrade dieser Wandlerart liegen, speziell im Bereich kleiner Leistungen, bei etwa 70 bis 80%. Ursache dafür ist die Tatsache, dass hierfür ein Transformator mit Primär- und Sekundärwicklung(en) notwendig ist, um die galvanische Trennung zu gewährleisten. Dies führt zu weiteren Kupfer- und Magnetisierungsverlusten. Ferner benötigt der Anwender einen zusätzlichen Schalttransistor, der, um über den Transformator Energie zu übertragen, aus der Eingangsgleichspannung eine Wechselspannung generiert und dadurch zusätzliche Verluste erzeugt.

Da es bei Batterie- und Akkuanwendungen meistens auf eine geringe Baugröße ankommt, warten die R-78xx-SMD-Schaltregler mit einer geringen Baugröße im 10-Pin-SO-Gehäuse auf. Wegen des hohen Wirkungsgrades kann der Anwender zudem auf einen Kühlkörper verzichten, was zu weiteren Platzeinsparungen führt. In der Standardkonfiguration ist keine zusätzliche externe Beschaltung notwendig. Wegen der zusätzlich verfügbaren Pins bietet die SMD-Version gegenüber der 3-Pin-SIP-Version neben den kompakten Abmessungen noch zwei weitere Extrafunktionen an. Durch Beschaltung des zusätzlichen Trimpins mit einem externen Widerstand lässt sich die nominale Ausgangsspannung im Bereich von etwa ±50% ändern. Speziell für Akku- und Batterieanwendungen ist die Remote-On/Off-Funktion von erheblicher Bedeutung. Durch ein externes Signal, beispielsweise durch einen Microcontroller, kann man den DC/DC-Wandler in den Standby-Modus schalten und damit den Verbrauch drastisch reduzieren. Der Verbrauch des Schaltreglers liegt dann bei 20 µA typisch, was etwa der Eigenentladung eines Akkus/Batterie im unbelasteten Zustand entspricht.

Wenn es kein hoher Ausgangsstrom sein muss

In jenen Applikationen, wo Sensoren zum Einsatz kommen, ist oft eine negative Versorgungsspannung wichtig, die keine so hohen Ausgangsströme liefern muss. Liegen zwei symmetrische Spannungen vor, bietet es sich an, einen isolierten DC/DC-Wandler zu verwenden. Mit Blick auf dessen Wirkungsgrad zeigt sich aber, dass man bei dieser Auswahl auf >10% Wirkungsgrad verzichten muss. Sind die gewünschten Ausgangsspannungen dagegen unsymmetrisch, lassen sie sich in den meisten Fällen nicht mit einem Standardprodukt abdecken.

Bild 1 zeigt die Basisapplikation, wie aus einer positiven Spannung eine negative Spannung erzeugt wird. Und Tabelle 1 veranschaulicht die Pinbelegungen des Schaltreglers in der positiven sowie in der negativen Beschaltung. Wie die Tabelle ferner zeigt, werden die Schaltregler für die positive und negative Ausgangsspannung unterschiedlich beschaltet. Dadurch entstehen diverse Schaltungstopologien für diese unterschiedlichen Ausgangsspannungen. Und weil es sich um unterschiedliche Schaltungstopologien handelt, sind auch die elektrischen Parameter verschieden. Für die Schaltungstopologie des Wandlers mit negativer Ausgangsspannung bedeutet das, dass er in dieser Beschaltung nicht so hoch belastet werden darf. Es gelten die Werte aus Tabelle 2.

Aus dieser Basisschaltung heraus kann der Anwender verschiedene Versorgungskonfigurationen aufbauen, die den unterschiedlichen Anforderungen genügen. Die einfachste Konfiguration für eine bipolare Versorgung veranschaulicht Bild 2. Vorraussetzung für diese Versorgungstopolgie ist, dass Vin den Anforderungen entsprechend stabil ist. Die Spannungsinversion erledigt der Schaltregler. Sollte die gewünschte Stabilität nicht vorhanden sein, kommt die Schaltung gemäß Bild 3 zum Einsatz. Der Vorteil dieser Schaltung: Es stehen zwei Spannungen hoher Genauigkeit und unterschiedlichen Vorzeichens zur Verfügung.

Je nach Höhe der Ausgangsspannungen erreichen die Eingangsspannungen ein Verhältnis von 4:1. Gegenüber der isolierten bipolaren Version liegen die Wirkungsgrade um etwa 10% höher. Außerdem lassen sich mit dieser Schaltung Spannungen unterschiedlichen Vorzeichens und unterschiedlichen Betrags erzeugen. Bei Einsatz der SMD-Modelle stehen für batterie- oder akkugespeiste Systeme zusätzlich noch die energiesparenden Eigenschaften dieser Bauform zur Verfügung.

*Carl Schramm ist Manager Technical Support, RECOM Development der GmbH & Co KG in Gmunden, Österreich.

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