Bauteildimensionierung für Abwärtswandler

Schaltregler: Teil 1 – Überblick über die Bauteildimensionierung für Abwärtswandler

Wenn Sie noch nie mit Schaltwandlern gearbeitet haben, geschweige denn Schaltwandlerbauteile ausgewählt haben, kann die ganze Angelegenheit anfangs etwas überwältigend erscheinen.

Eine riesige Anzahl verschiedener Schalt-ICs, viele Datenblätter und Anwendungshinweise, Kompensationsnetzwerke, lange Berechnungen und mehr haben Sie möglicherweise abgeschreckt. Stattdessen haben Sie sich möglicherweise für die Verwendung von Linearreglern in Ihrem Design entschieden, aufgrund ihrer inhärenten Einfachheit. 

Während Linearregler, wie zum Beispiel LDOs, sicherlich in vielen Designs ihren Platz haben, wird man sich als PCB-Designer im 21. Jahrhundert zwangsläufig irgendwann mit Schaltreglern auseinandersetzen müssen. Darüber hinaus sind Schaltregler ein unglaublich nützliches Werkzeug und etwas, das jeder Elektroniker in seinem Werkzeugkasten haben sollte, um es bei Bedarf verwenden zu können. Höhere Belastbarkeit, Effizienz, Spannungserhöhung, Spannungsreduzierung und Isolierung sind nur einige der vielen Vorteile, die Schaltregler für Ihre Hardware-Designs mit sich bringen können.

Im ersten Artikel dieser Serie werden wir sehen, wie man Komponenten für den gängigsten Schaltregler dimensioniert - den Abwärtswandler. In den folgenden Artikeln besprechen wir weitere Topologien (z. B. Step-up), weitere Bauteilauswahl und Dimensionierung sowie Leiterplattenlayout und -routing.

Dieser Artikel gibt einen sehr komprimierten Überblick über die erforderlichen Schritte. Wenn Sie mehr Details mitverfolgen möchten, sehen Sie sich unbedingt dieses Video an.

Überblick über den Abwärtswandler

Die spezifische Art von Schaltregler, die wir uns ansehen werden, wird als Abwärtswandler (auch Tiefsetzsteller oder Abwärtsregler) bezeichnet. Wie der Name schon sagt, nimmt dieser eine Gleichspannung an seinem Eingang auf und skaliert sie auf eine niedrigere Spannung. Dies ist die am häufigsten verwendete Schaltregler-Topologie und ihre Bedienung ist überraschend einfach.

Oben ist die Topologie für einen Abwärtswandler dargestellt. Bedenken Sie, dass es Variationen dieser Basis-Topologie gibt.

Der Schalter S ist normalerweise ein MOSFET. Der unter dem Schalter abgebildete Controller steuert die am Gate angelegte Spannung über einen entsprechenden Gate-Treiber, der – einfach ausgedrückt – den Schalter öffnet und schließt.

Je länger der Schalter eingeschaltet ist, desto höher ist die Ausgangsspannung im Verhältnis zur Eingangsspannung. Das Ausgangsnetzwerk (Induktivität L in Kombination mit Cout) kann als Tiefpassfilter zur Reduzierung der Harmonischen beim Schalten betrachtet werden sowie als Energiespeicher für den Fall, dass der Schalter ausgeschaltet ist.

Wir brauchen die Gleichrichterdiode D für den Fall, dass der Schalter offen ist und Energie in der Induktivität gespeichert ist. Ohne sie würde die gespeicherte Energie nirgendwohin gehen können.

Schließlich wird die Ausgangsspannung vom Controller über ein Feedback-Netzwerk (RFB1 und RFB2) erfasst und mit einer internen Referenz verglichen. Dadurch kann der Controller im geschlossenen Regelkreis arbeiten.

Anforderungsspezifikation und IC-Auswahl

Die Dimensionierung eines Schaltreglers ist anwendungsspezifisch. Als absolutes Minimum müssen diese Parameter definiert werden (mit Beispielwerten):

Eingangsspannungsbereich, Nennausgangsspannung und maximaler Ausgangs-(Last-)Strom.

Anhand dieser Informationen können wir mithilfe der klassischen Teilesuche eines Vertriebspartners einen geeigneten Abwärtswandler-IC auswählen. Bedenken Sie, dass einige ICs den Schalter und die Gleichrichterdiode enthalten, andere jedoch nicht.

Maximaler Schaltstrom

Sobald wir einen geeigneten IC ausgewählt haben, müssen wir den Spitzenstrom für den Schalter, die Diode und die Induktivität berechnen. Diese Bauteile müssen mindestens für diesen Strom ausgelegt sein.

Die Berechnung des maximalen Schaltstroms erfolgt in vier Schritten. 

1. Bestimmen Sie das Tastverhältnis D bei gegebener Eingangsspannung V(In) und Ausgangsspannung V(Out) sowie dem Wirkungsgrad d.
   D=V(Out)/(V(In)*d) 
2. Berechnen Sie den Induktor-Welligkeitsstrom I (L, Ripple) anhand eines mittleren Induktivitätswerts L und der im Datenblatt angegebenen Schaltfrequenz f (SW).
   I(L,Ripple)=(V(In)-V(Out))*D/(f(SW)*L)
3. Prüfen Sie, ob der gewählte Buck-IC den maximal erforderlichen Ausgangsstrom liefern kann.
4. Berechnen Sie schließlich den Spitzenstrom.
   I(SW,max)=I(Load)+0,5*I(L,Ripple)

Auswahl des Induktors

Die Auswahl eines geeigneten Induktivitätswerts ist einer der Schlüsselaspekte beim Design von Abwärtswandlern. Wir sollten für den schlimmsten Fall designen, womit der kleinste durchschnittlich erwartete Laststrom gemeint ist, der wiederum zur größten Induktivität führt. Dies wird die Effizienz unseres Reglers insgesamt verbessern.

Induktor

Die Auswahl eines geeigneten Induktivitätswerts ist einer der Schlüsselaspekte beim Design von Abwärtswandlern. Wir sollten für den schlimmsten Fall designen, womit der kleinste durchschnittlich erwartete Laststrom gemeint ist, der wiederum zur größten Induktivität führt. Dies wird die Effizienz unseres Reglers insgesamt verbessern.

Angesichts all unserer bekannten Konstruktionsparameter beträgt die erforderliche Mindestinduktivität:

L(min)=V(out)*(V(in)-V(out))/(k*I(Load)*f(SW)*V(In))

k ist ein Faktor, der typischerweise zwischen 0,2 und 0,4 liegt. Achten Sie darauf, dass Sie die maximal erwartete Eingangsspannung für V (In) verwenden.

Eingangs- und Ausgangskondensatoren

Die Berechnung des Wertes der erforderlichen Eingabe- und Ausgabekapazität ist keine einfache Aufgabe. Die Auswahl des Ausgangskondensators ist in der Regel die kritischere von beiden, da sie einen direkten Einfluss auf die Stabilität und die Spannungswelligkeit hat. Glücklicherweise sind diese Informationen in der Regel im Datenblatt angegeben.

Achten Sie darauf, die Dielektrika und Nennspannungen der Kondensatoren zu überprüfen.

Rückkopplungs-Netzwerk

Das Rückkopplungs-Netzwerk, das in der Regel aus einem Spannungsteiler besteht, legt die Ausgangsspannung fest. Der gewählte IC hat eine Präzisionsspannungsreferenz V(FB) (im IC-Datenblatt angegeben), mit der diese Rückkopplungsspannung verglichen wird.

Wir können dann unsere Rückkopplungswiderstände auswählen, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten.

V(Out)=V(FB)*(1+R(FB1)/R(FB2))

Die Größenordnung der Rückkopplungswiderstände liegt typischerweise zwischen 10s bis 100s kOhm. Achten Sie darauf, dass Sie Widerstände mit 1 % Toleranz verwenden. 
 
Dieser Artikel gibt einen sehr kurzen Überblick über typische Berechnungen, die bei der Dimensionierung eines Abwärtswandlers erforderlich sind. Sehen Sie sich das Video an, um weitere Informationen sowie ein praktisches Beispiel zu erhalten.

Bleiben Sie dran für den nächsten Blog-Beitrag in dieser Reihe, um Best Practices für das Layout von Schaltreglern mit Altium Designer kennenzulernen.