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Wandler: Sauberes Anlaufverhalten dank präziser Schwellenspannung

| Autor / Redakteur: Chris Glaser * / Margit Kuther

Die verschiedenen Gleichspannungswandler eines Systems müssen häufig bei einer ganz bestimmten Versorgungsspannung anlaufen. Reicht die Energie nicht aus, droht ein Reset.

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Strombegrenztes System: eine präzise Schwellenspannung am EN-Pin sichert ein einwandfreies Anlaufverhalten
Strombegrenztes System: eine präzise Schwellenspannung am EN-Pin sichert ein einwandfreies Anlaufverhalten
(Bild: Texas Instruments)

Ein Beispiel hierfür sind industrielle Anwendungen, die aus einer 4-20-mA-Stromschleife oder per Energy Harvesting versorgt werden und in denen zunächst in der Eingangskapazität genügend Energie gespeichert sein muss, bevor der Gleichspannungswandler einschaltet.

Ist diese ausreichende Energiemenge nicht vorhanden, kann der vom Gleichspannungswandler beim Einschalten aufgenommene Inrush-Strom zu einem so starken Absinken der Eingangsspannung führen, dass es im System oder im Wandler zu einem Reset kommt.

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Im ungünstigsten Fall läuft das System sogar überhaupt nicht an. Die meisten Gleichspannungswandler besitzen einen Enable-Eingang (EN), der ungünstige Anlaufverhalten vermeiden kann. Dieser Beitrag erläutert einige verbreitete, in den Datenblättern der Bauelemente zu findende Schwellenwert-Spezifikationen für den EN-Pin und stellt Anwendungsschaltungen vor, die für ein sauberes Anlaufverhalten sorgen – entweder mit oder ohne einen Wandler mit präziser Schwellenspannung am Enable-Anschluss.

Spezifikationen für den Enable-Anschluss

Im Grunde handelt es sich beim EN-Pin um einen digitalen Eingang, mit dessen Hilfe sich ein Gleichspannungswandler ein- und ausschalten lässt. Ist die am EN-Pin liegende Spannung größer als eine bestimmte Logikschwelle (meist als VIH bezeichnet), so detektiert der Wandler einen logischen High-Status an diesem Pin und schaltet ein. Ist die Spannung am EN-Pin dagegen kleiner als eine bestimmte andere Logikschwelle (meist als VIL bezeichnet), so erkennt der Wandler einen logischen Low-Status an diesem Anschluss und schaltet sich ab.

Für einen EN-Pin ist entweder eine ‚locker‘ oder ‚präzise‘ definierte Schwellenspannung angegeben. Für beide gelten, was die Anwendung betrifft, jeweils bestimmte Überlegungen. Tabelle 1 (diese und weitere Grafiken finden Sie in der Bildergalerie) zeigt ein Beispiel für eine locker definierte Schwellenspannung aus dem Datenblatt des TPS62130A. In Tabelle 2 ist ein Beispiel für eine präzise angegebene Schwellenspannung zu sehen, entnommen aus dem Datenblatt des TPS62136.

Die in beiden Tabellen spezifizierten typischen Schwellenspannungen des EN-Pins lassen erkennen, welche Hysterese an diesem Eingang existiert. Diese Hysterese ist wichtig, um ein zyklisches Ein- und Ausschalten zu vermeiden, zu dem es bei einer sehr langsamen Änderungsrate am EN-Pin kommen könnte.

Tabelle 3 aus dem Datenblatt des TPS62740 zeigt eine weitere locker definierte Schwellenspannung am EN-Pin. Obwohl die Werte verglichen mit Tabelle 1 in den entgegengesetzten Spalten angegeben sind, ist die Bedeutung doch dieselbe: am EN-Pin muss eine Spannung von mehr als 1,1 V liegen, um sicherzustellen, dass der Wandler einen logischen High-Pegel sieht. Umgekehrt muss eine Spannung von unter 0,4 V vorliegen, damit der Wandler sicher einen Logisch-Low-Pegel registriert.

Die integrierte Schaltung kann somit eine Spannung, die zwischen VIH und VIL liegt, als logisch low oder logisch high interpretieren. Da dieser Bereich sehr groß ist, bezeichnet man dies als eine lockere Schwellenspannungs-Spezifikation. Während Tabelle 1 angibt, welche Spannung seitens der Applikation angelegt werden muss, beschreibt Tabelle 3 die tatsächlichen Schwellenspannungen innerhalb des IC.

Nutzung des EN-Pins für ein sauberes Anlaufverhalten

Der richtige Einsatz des EN-Pins vermeidet viele verbreitete Verhaltensweisen beim Anlaufen, die für verschiedene Arten von Systemen problematisch sein können:

  • Systeme, die aus strombegrenzten Quellen gespeist werden, können in ihrem Anlaufzustand hängenbleiben.
  • Systeme mit einer langsam ansteigenden Eingangsspannung können anfällig für eine zu langsam ansteigende Ausgangsspannung sein.
  • Andere Systeme tolerieren möglicherweise keine starken Schwankungen des Timings beim Anlaufen. Diese Schwankungen können aus einem unpräzise angesteuerten EN-Pin im Verbund mit einer RC-Verzögerungsschaltung resultieren.

Im folgenden zeigen wir die Analyse des Wandler-Anlaufverhaltens für drei verschiedene Szenarien:

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