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Power-Tipp Mit der Totzeit ist nicht zu spaßen…

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

In modernen Schaltreglern ist eine kurze Totzeit implementiert. Hier lauern einige Fallstricke, die dazu führen können, dass der Regler im ungünstigsten Fall zerstört wird. Dieser Power-Tipp beschreibt, worauf Sie achten müssen.

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Bild 1: Konzept eines einfachen abwärtswandelnden Schaltreglers während der Totzeit.
Bild 1: Konzept eines einfachen abwärtswandelnden Schaltreglers während der Totzeit.
(Bild: ADI)

DC/DC-Wandler nach dem Abwärtswandlerprinzip (auch als Buck-Regler bezeichnet) sind aufgebaut wie in Bild 1 dargestellt. Es gibt zwei Schalter, welche abwechselnd schalten. Mal ist der Eine eingeschaltet und mal der Andere. Dabei muss unbedingt sichergestellt werden, dass niemals beide Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind.

Wenn dies der Fall wäre, gäbe es einen Kurzschluss von Uin nach Masse wie mit dem roten Pfeil in Bild 1 gezeigt. Ein sehr hoher Strom würde sich entwickeln, der nur von parasitären Induktivitäten und Widerständen der Schaltung begrenzt wäre. Die Folge ist in vielen Anwendungen, dass die Schalter durch einen Überstrom zerstört werden.

Die meisten Schaltregler bieten einen Schutz vor Überstrom. Sie schalten den oberen Schalter ab, wenn ein zu hoher Strom gemessen wird. Das Messen des Stromes dauert jedoch eine gewisse Zeit und außerdem wird nach dem Schalten von einem Schalter immer erst eine kurze Zeit gewartet, bis der fließende Strom gemessen werden kann.

Dieses kurze Warten, das sich über einige Nanosekunden erstreckt, wird mit dem Begriff ‚Blanking-Zeit‘ bezeichnet. Ohne diese Wartezeit würden sich Störungen, verursacht vom Schaltvorgang, in die sensible Strommessung einkoppeln und es würden falsche Werte gemessen werden.

Eine vorhandene Strombegrenzung ist kein ausreichender Schutz vor einer Zerstörung der Schaltung, im Fall, wenn beide Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind. Um einen entsprechenden Schutz zu gewährleisten, wird eine gewisse ‚Totzeit‘ implementiert.

Dies bedeutet, es gibt einen kurzen Zeitraum, in dem weder der obere Schalter noch der untere Schalter eingeschaltet sind. Man könnte meinen, dass dies alleine eine umfassende Lösung ist. In Bild 1 ist aber auch die Spule im Schaltreglers zu sehen. Diese erzwingt einen kontinuierlichen Stromfluss. Der Spulenstrom kann kontinuierlich ansteigen, oder abfallen, sich jedoch niemals schlagartig ändern.

Während der Totzeit muss es also einen möglichen Pfad für den Stromfluss geben. Gäbe es diesen nicht, würde die Spannung am Schaltknoten nach minus unendlich gehen. Die Schalter dann wegen einer zu hohen Überspannung zerstört werden.

Besonders bei Schaltreglern mit externen Schalttransistoren kann die Anstiegszeit und die Abfallzeit der Schalter, beispielsweise durch Widerstände im Gate-Pfad, verlangsamt werden. Dies wird gemacht, um die EMV zu verbessern, kann im ungünstigsten Fall jedoch dazu führen, dass die Totzeit ausgelöscht wird und Schaltungen beschädigt werden.

Bild 2: Schaltstufe mit reellen N-Kanal MOSFETs und der entsprechenden Body-Diode.
Bild 2: Schaltstufe mit reellen N-Kanal MOSFETs und der entsprechenden Body-Diode.
(Bild: ADI)

Bild 2 zeigt, wie eine Schaltstufe üblicherweise aufgebaut ist. Als Schalter werden zwei N-Kanal MOSFETs verwendet. Sie haben einen pn-Übergang zwischen Source und Drain, die Body-Diode. Diese stellt sicher, dass sich durch den unteren Schalter ein Stromfluss durch die Spule L einstellen kann, auch während der Schalter abgeschaltet ist, also während der Totzeit. Somit bildet sich keine zerstörerische, negative Spannung am Schaltknoten.

Bild 3: Besonders negative Spannung während der Totzeit.
Bild 3: Besonders negative Spannung während der Totzeit.
(Bild: ADI)

Bild 3 zeigt, die Schaltknotenspannung eines Abwärtswandlers vom Typ ADP2384. Dabei handelt es sich um einen synchronen, monolithischen Regler für einen maximalen Ausgangsstrom von 4 A.

Wird die Totzeit an der Hardware überprüft, sehen Sie negative Spannungsspitzen am Schaltknoten. Diese sind als Simulationsergebnis mit LTspice in Bild 3 erkennbar. Während der Totzeit fließt der Spulenstrom durch die Body-Diode des unteren MOSFETs. Hier ergibt sich eine etwas negativere Spannung, als wenn der MOSFET nach der Totzeit eingeschaltet wird. Bei gleichem Strom ist die Abfallspannung durch die Body-Diode höher als die Abfallspannung bei eingeschaltetem MOSFET bedingt durch seinen Einschaltwiderstand.

Eine Simulation eignet sich gut, um diesen Effekt zu sehen. Neben der erhöhten Diodenabfallspannung im Vergleich zum eingeschalteten MOSFET dauert es auch noch eine gewisse Zeit, bis der pn-Übergang der Body-Diode überhaupt leitend wird. Während dieser Zeit (propagation delay) wird die Schaltknoten-Spannung noch negativer.

Bei einer Messung mit einem Oszilloskop überlagern sich neben diesen Effekten auch noch Schaltstörungen, die in die Messung eingekoppelt werden. Bei einer Simulation entfallen diese Messprobleme.

Fazit: Moderne Schaltregler sind durch unterschiedliche Ansätze so konstruiert, dass die Totzeit möglichst kurz ist. Dadurch erhöht sich die Effizienz der Spannungswandlung, die EMV wird verbessert und der Spannungsstress am Schaltknoten wird geringer. Diese Innovationen stellen aber auch immer sicher, dass es nicht zu einer Überlappungszeit mit möglicher Zerstörung des Schaltreglers kommt. Ein Beispiel ist die Familie der Silent Switcher.

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

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