Geschaltete oder lineare Spannungsregler: Was ist die beste Wahl für Ihre Power-Management-Schaltung?

Spannungsregler sind mit das Kernstück jeder gut ausgelegten Spannungsversorgungsschaltung. Sie stellen eine stabile Spannung zur Verfügung, die einem eingebetteten System einen stabilen Betrieb ermöglicht. Dabei verwandeln sie eine hohe Eingangsspannung in die niedrigere, stabilisierte Ausgangsspannung, die für den Betrieb des elektronischen Gerätes erforderlich ist.

Wie wichtig Spannungsregler sind, habe ich schmerzlich erfahren müssen. Ist Ihnen schon mal ein Kondensator direkt vor der Nase explodiert? Meine Karriere im Elektronik-Design begann genau damit. Ich hatte im gleichen Projekt auch die Berechnung für das Stromversorgungs-Budget verpfuscht, die ursprünglich für ein „einfaches“ Projekt dimensioniert war. Das Endergebnis war ein PCB-Prototyp mit einem glühend heißen Spannungsregler, auf dem man ein Ei hätte braten können ... oder schlimmer.

Damals wurde mir klar, dass elegantes Design und Raffinesse von geringer Bedeutung sind. Wenn Sie beim Konfigurieren der Power-Management-Schaltung einen Fehler machen, ist Ihr Design praktisch wertlos. Die Berechnungen für das Stromversorgungsbudget, die Umgebungstemperatur und in meinem Fall die Wahl des Hauptbauteils für das Power-Management, wie z. B. ein Spannungsregler, können über den Erfolg oder Misserfolg Ihres PCB-Projekts entscheiden.

Welche Aufgaben hat die Power-Management-Schaltung in einem eingebetteten System?

In meiner mehr als zehnjährigen Tätigkeit als Designer von Embedded Systemen habe ich gesehen, wie sich Mikrocontroller sprunghaft weiterentwickelt haben. Aus dem historischen Zilog-Prozessor wurden die modernen Cortex-M4-Prozessoren. Technologien wie Bluetooth Low Energy und ZigBee haben die Embedded-Systems-Industrie weiter revolutioniert. Dennoch brauchen Sie immer noch gut durchentwickelte Stromversorgungs-Schaltungen. Ohne sie sind diese coolen Technologien nur „Teile“ – Bauteile, die schrecklich riechen, wenn sie anfangen zu schmoren, zu schmelzen und zu verbrennen.

Was sind lineare Spannungsregler?

Lineare Spannungsregler regeln die Ausgabe mittels einer linearen Komponente. Bevor 3,3-V-Bauteile vermehrt eingesetzt wurden, mussten wir mit 5 V versorgten Mikrocontrollern (MCUs) und integrierten Schaltungen (ICs) vorliebnehmen. Der Spannungsregler LM7805 war damals eine weit verbreitetes Bauteil, da es sich um einen einfachen linearen 5-V-Regler handelte. In der Tat ist seine Einfachheit so bestechend, dass er heute noch sehr beliebt ist. Als 3,3 V zu einer weit verbreiteten Betriebsspannung wurde, diente der LM1117-33 als ziemlich effizienter linearer Spannungsregler.

Dann wurden integrierte Schaltungen weiterentwickelt, um mit einer Spannung von 3,3 V arbeiten zu können. Zu dieser Zeit durchliefen Mikrocontroller eine Phase rapider Entwicklung. Vorher hatten Designer sich auf die Anzahl der Ein- und Ausgänge an einem Mikrocontroller konzentriert. Dann wuchs das Interesse an der Anzahl der integrierten Funktionen, wie z. B. UARTs, Ethernet, USB, und an der rasant steigenden Rechenleistung. Letztendlich stieß die lineare Spannungsregler-Schaltung an seine Grenzen.

Die Grenzen linearer Spannungsregler

Viele Menschen machen einen Anfängerfehler, wenn sie sich mit linearen Spannungsreglern auseinandersetzen, und betrachten den Nennstrom als absolute Größe. Das ist ein großes Problem, da der LM7805 für 5 V und 1,5 A spezifiziert war. Das bedeutet aber nicht, dass er mit dieser Spannung arbeiten kann, ohne dass, im schlimmsten Fall während des Betriebs, ein paar Bauteile schmelzen oder verbrennen. Vor der Auswahl eines linearen Spannungsreglers müssen nämlich mindestens drei weitere Parameter berücksichtigt werden.   

Die Verlustleistung berechnet sich aus der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, multipliziert mit dem Laststrom. Wenn Sie eine Spannung von 12 V auf 5 V herunterregeln und Ihr eingebettetes System 100 mA verbraucht, dann beläuft sich die Verlustleistung auf 0,7 W. Zu diesem Zweck sollten wir zur Kenntnis nehmen, dass der LM7805 bis zu einer maximalen Temperatur von bis zu 125°C einsetzbar ist. Oberhalb dieser Temperatur treten unerwünschte Ereignisse wie Schmelzen oder Verbrennen auf.

Ein typischer Spannungsregler im TO-220-Gehäuse wie der LM7805 besitzt einen Wärmewiderstand von 65 °C/W. Das bedeutet, dass sich der Baustein für jedes einzelne Watt Verlustleistung, um 65 °C gegenüber der Umgebungstemperatur erwärmt. In einigen Bereichen herrschen durchschnittliche Temperaturen von ca. 35°C, sodass der Spannungsregler LM7805 eine Betriebstemperatur von 100°C hätte – knapp unterhalb der zulässigen Höchsttemperatur. Trotzdem steht Ihnen weniger als 10 % des maximalen Nennstroms von 1,5 A zur Verfügung.

Was sind Schaltregler und warum sind Sie buchstäblich die coolere Wahl?

Lineare Spannungsregler sind aufgrund ihrer Eigenschaften keine idealen Kandidaten für Systeme mit hohen Leistungsanforderungen, da die erzeugte Wärme den Regler beschädigen oder die Lebensdauer der umgebenden Bauteile beeinträchtigen könnte. Effizienter sind geschaltete Spannungsregler oder Schaltregler. Wie der Name sagt, schaltet sich der Schaltregler in sehr schneller Folge ein und aus, womit er eine stabile und effiziente Energiequelle darstellt. Der geschaltete Regler kann Wärme recht effektiv abführen, wodurch das Temperaturniveau sinkt und die Gefahr des Schmelzens gemindert wird.

Ein Spannungsregler, den ich verwendet habe, ist der LM2576 – ein vielfach eingesetzter geschalteter Spannungsregler, der bei der Regelung von 3,3 V einen Wirkungsgrad von 75 % erzielt. Dadurch entsteht im Vergleich zu einem linearen Regler nur ein Bruchteil der Wärme, wodurch sich dieser ideal für Anwendungen eignet, in denen eine hohe Spannung in eine geregelte niedrigere Spannung umgewandelt werden muss. Er ist auch sehr gut für eingebettete Systeme geeignet, die routinemäßig mit hoher Leistung betrieben werden.

Spannungsregler-Schaltung: Vergleich zwischen geschalteten und linearen Reglern

Trotz der Effizienz, die ein geschalteter Spannungsregler bietet, verhindern zwei Kriterien dennoch, dass man sich standardmäßig für ihn entscheidet. Dies sind seine Kosten und die zwingend erforderlichen passiven Bauteile. Diese können erheblich sein und bis zu 30 mal mehr betragen als die Kosten für einen linearen Spannungsregler und ein paar Kondensatoren.

Darüber hinaus benötigt der geschaltete Regler mehr passive Bauteile. Bei einer größeren Anzahl passiver Bauteile gestalten sich die Wartungsarbeiten weitaus komplexer. Sie müssen sicherstellen, dass Sie die Werte Ihrer Spulen und Kondensatoren sorgfältig auswählen. Hieraus resultiert automatisch auch ein größerer Platzbedarf auf dem PCB.

Kurz gesagt, wenn Sie an einer einfachen Anwendung arbeiten, die nicht viel Strom verbraucht, ist der lineare Typ folgerichtig die erste Wahl. Falls Sie jedoch an einem hochleistungsfähigen Projekt arbeiten oder eine industrielle Spannung von 24 V DC auf 3,3 V herabsetzen möchten, sollten Sie eventuell einen geschalteten Spannungsregler in Betracht ziehen.

Haben Sie Fragen zu der Spannungsregler-Schaltung und dessen Power-Management-Schaltungen? Benötigen Sie Tipps und optimale Vorgehensweisen für das Design eines geschalteten Spannungsreglers? Dann kontaktieren Sie jetzt einen fachlich geschulten PCB-Designer bei Altium.