Schaltregler: Welche Faktoren begrenzen das Tastverhältnis?

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Schaltregler: Welche Faktoren den Tastgrad begrenzen.
Schaltregler: Welche Faktoren den Tastgrad begrenzen. (Bild: VCG)

Die nächsten Power-Tipps beschäftigen sich mit dem Tastverhältnis eines Schaltreglers. Im ersten Teil geht es darum, welche Faktoren das Tastverhältnis bzw. den Tastgrad eines Abwärtswandlers im nicht lückenden Betrieb begrenzen.

Schaltregler nutzen ein Tastverhältnis, um eine Spannungs- oder Stromregelung zu verwirklichen. Mit dem Tastverhältnis, im Englischen ‚Duty-Cycle‘ genannt, beschreibt man die Beziehung zwischen der Einschaltzeit (Ton) und der Ausschaltzeit (Toff) und charakterisiert so vereinfacht den Zusammenhang von Eingangsspannung und Ausgangsspannung.

In die genauere Berechnung gehen weitere Faktoren ein, die für die folgenden Erklärungen jedoch nicht relevant sind. Das Tastverhältnis eines Schaltreglers ist abhängig von der jeweiligen Schaltregler-Topologie. Ein Abwärtswandler, wie in Bild 1 dargestellt, ist durch das Tastverhältnis D = Ausgangsspannung / Eingangsspannung charakterisiert. Bei einem Aufwärtswandler entspricht das Tastverhältnis D = 1 – (Eingangsspannung / Ausgangsspannung).

Diese Zusammenhänge gelten für den nicht lückenden Betrieb (engl. continuous current conduction mode, CCM). Hierbei sinkt der Spulenstrom für die Zeitperiode T nicht auf 0 A ab. Diese Betriebsart ist häufig bei Schaltungen im nominalen Lastbetrieb zu finden.

Bei geringeren Lasten oder bei gewolltem lückenden Betrieb entlädt sich die Spule während der Ausschaltzeit. Der Modus lückender Betrieb wird im Englischen als discontinuous current conduction mode, DCM bezeichnet. Für beide Betriebsarten gibt es jeweils eigene Zusammenhänge für das jeweilige Tastverhältnis bei einer definierten Eingangs- und Ausgangsspannung.

Schaltregler: Schaltverhalten im nicht lückenden Betrieb

In Bild 2 ist das Schaltverhalten im Zeitbereich gezeigt. Hier betrachten wir einen Abwärtswandler im nicht lückenden Betrieb, also im CCM-Modus. Das Tastverhältnis ist unabhängig von der Schaltfrequenz. Die Periodendauer T liegt üblicherweise zwischen 20 µs (50 kHz) und 330 ns (3 MHz).

Wenn die Eingangsspannung den gleichen Wert wie die Ausgangsspannung hat, bräuchte man ein Tastverhältnis von 1. Das bedeutet, dass man nur eine Einschaltzeit hat und keine Ausschaltzeit. Das ist jedoch nicht mit jedem Schaltregler möglich.

In Bild 1 müsste der obere MOSFET dafür permanent eingeschaltet sein. Wenn dieser Schalter als N-Kanal MOSFET ausgeführt ist, braucht er zum Betrieb am Gate eine höhere Spannung als die Eingangsspannung der Schaltung.

Wenn es nach jeder Einschaltzeit eine gewisse Ausschaltzeit gibt (bei einem Tastverhältnis von <1) kann eine höhere Spannung als die Versorgungsspannung über eine Ladungspumpe recht einfach erzeugt werden. Bei einem Tastgrad von 100% ist das aber nicht möglich. Somit müssen für Schaltregler, die einen Tastgrad von 100% haben, entweder aufwändige Ladungspumpen implementiert werden, welche unabhängig vom Schalten der Schaltregler MOSFETs agieren, oder der obere Schalter in Bild 1 muss als P-Kanal MOSFET ausgelegt sein. Beides verursacht zusätzlichen Aufwand und somit Kosten.

Bild 3 zeigt einen Schaltregler, den ADP2370, der durch einen P-Kanal MOSFET als oberen Schalter einen Tastgrad von 100% zulässt. Die Eingangsspannung kann bei einem solchen Abwärtswandler sehr nahe an die Ausgangsspannung abgesenkt werden.

Wenn es eine Anwendung erfordert, dass die Eingangsspannung möglichst nahe an den Sollwert der Ausgangsspannung absinkt, sollte man einen Schaltregler auswählen, der ein Tastverhältnis von 1, also einen Tastgrad von 100% zulässt.

Neben dieser Begrenzung des Tastverhältnisses, die durch den oberen Schalter des Schaltreglers bestimmt wird, gibt es noch weitere Faktoren, die das Tastverhältnis limitieren. Diese werden wir in einem der nächsten Power-Tipps betrachten.

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

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 45980597 / Analog-Tipps)