1

Schaltregler

Ansatz: Anstelle des linear betriebenen Transistors einen Umschalter benutzten

Buck Converter (Abwärtsregler)

V0

V0=D·VS

VS

VS

engl. Switching Regulator, DC-DC Converter

Was ist zu erwarten?

Mittelwert der Rechteckspannung

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Buck Converter V/I Verlauf

Betrachtungsweise LC als Mittelwert-Filter

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Buck Converter

Diode ist in Sperrrichtung betrieben Spannung über L ist VS-V0

Strom durch L nimmt linear zu Energie wird in Induktivität gespeichert Der Kondensator wird geladen

Cap. Current

Remember

dt

dvCi

dt

diLv

CC

LL

Betrachtung V/I in Schalterphasen

Phase 1

4

Buck Converter

Strom durch L muss weiter fliessen in gleicher Richtung Diode ist im Flussbetrieb (Schottky Diode verwenden) Spannung über L springt von VS-V0 auf -V0-VD

Strom durch L nimmt linear ab Induktivität gibt Energie an C weiter

Cap. Current

Betrachtung V/I in Schalterphasen

Phase 2

Remember

dt

dvCi

dt

diLv

CC

LL

Note: Nutze Modell ideale Diode VD = 0

5

Buck Converter

Zeitlich parallel zum Laden: Sobald über C eine Spannung liegt fliesst ein Strom durch R Die Kapazität wird entladen Es stellt sich ein Gleichgewicht ein: Mittelwert der Rechteckspannung V0 weist einen geringen Dreieck Ripple auf mit der Schatlfrequenz

Cap. Current

V0 = D·VS D = Tastverhältnis am Schalter, D = Ton/(Ton+Toff)

Betrachtung V/I in Schalterphasen

Phase 2

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Buck Converter

Realisierung mit Power FET und Schottky Diode

VS V0

iL springt nicht ! Gleichgewicht: Mittelwert iL = Laststrom Io

FET: Enh. PMOS (auch NMOS)

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Buck Converter

Der sogenannte regulärer Betrieb ist gewährleistet solange der Strom durch die Induktivität nie den Wert 0 annimmt. Damit dies zutrifft muss die Induktivität eine Mindestgrösse besitzten: Die Kapazität wird so gross gewählt, dass

Sich eine gewünschte Welligkeit der Ausgangsspannungergibt:

Dimensionierung

Die Baugrösse der Spule wird durch maximalen Strom IL max bestimmt.

8

Buck Converter Praxis

D = Vout/Vin • Regelung der Spannung über das Tastverhältnis

• Ersetzen der Diode durch zweiten Power MOSFET Die DS-Spannung des eingeschalteten MOSFET ist viel kleiner als die Schwellspannung einer Diode => höherer Wirkungsgrad

N-CH

L wird oft über den berechnet Wert hinaus, grosszügig überdimensioniert, um nicht lückenden Betrieb zu garantieren, auch wenn Ia,min unterschritten wird.

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Beispiel Buck Converter Chip

C2

L1

D1

Buck IC

10

Beispiel Buck Converter Chip

C2

L1

D1

Buck IC

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Ansteuerung des p-Kanal MOSFET

Vorteil • Einfache Ansteuerung Nachteile • Eingangsspannung darf nur so hoch sein wie es der OPV erlaubt. P-Kanal MOSFETs haben schlechtere Eigenschaften als n-Kanal MOSFETs: • Sie sind langsamer • Vertragen weniger Strom • Haben einen höheren RDSon

Abb. Bisher verwendete einfache Ansteuerung des p-Kanal MOSFET

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Ansteuerung des n-Kanal MOSFET

Nachteil • Steuerspannung am Gate muss höher sein als Ue

Lösung • C1 wird in jedem Schaltzyklus auf die Spannung Ue geladen

Abb. Ansteuerschaltung des n-Kanal MOSFET mit Gewinnung der Spannungs-versorgung für die nötige hohe Gatespannung.

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Einstellung der Ausgangsspannung durch PWM

Durch Variation des Duty Cycle p kann Ua

eingestellt werden.

a eU U p

Signale bei analoger Realisierung einer Pulsweitenmodulation

Funktion • USZ … Sägezahnsignal oder Dreiecksignal mit konstanter Frequenz • UR … Steuerspannung die die Pulsweite bzw. tein einstellt • Ust … Pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal entsteht aus dem Vergleich von USZ mit Ust

mit einem Komparator (OPV ohne Gegen- und ohne Mitkopplung)

Blockschaltbild eines Spannungsreglers mit Buck Converter

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USZ UR

Ust

Ue Ua Ua

Ua

Ua,soll

Vollständiges Schaltbild eines Spannungsreglers mit Buck Converter

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Boost Converter (Aufwärts-Wandler)

dt

dvCi

dt

diLv

CC

LL

(A) Regulärer bzw. lückenloser Betrieb

1e

ein

UI

t L

1(?)

u sa

I

Lt

,minLI,maxLI

,max ,min: L LI I I

17

Boost Converter (Aufwärts-Wandler)

dt

dvCi

dt

diLv

CC

LL

(A) Regulärer bzw. lückenloser Betrieb

1e

ein

UI

t L

1

a e

au s

UI

LU

t

a e

au s

TU U

t

,minLI,maxLI

,max ,min: L LI I I

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Boost Converter

(B) Lückender Betrieb

,min0 LI

Dimensionierung zur Einhaltung des regulären Betriebs

Nachteil Kondensator wird nur während kurzer Zeit aufgeladen => Hohe Welligkeit.

Regulärer Betrieb verlangt

Damit dies erfüllt muss gelten (ohne Herleitung)

,min :2

e ausa a

U tI I

p

L

,min2

e aus

a

LpU t

I

Regeln für die Dimensionierung:

a

a

TI pC

U

: einpT

t

,max1 2

a eL

I UI

p

T p

L

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Boost Converter in der Praxis

Tool: http://www.daycounter.com/LabBook/BoostConverter/Boost-Converter-Equations.phtml

P-CH

N-CH

Nie ohne Last ! Vout ∞

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Boost Converter Beispiel

Schaltfrequenz fs = 50 kHz

Eingangsspannung Ue = 1.2 V

Ausgangsspannung Ua = 5 V

Wunsch Ripple Ua = 0.2 V

Min. Ausgangsstrom Ia,min = 50 mA

61.2 4.8 10 0.7643.77

2 0.050L H

p = (Ua-Ue)/Ua= 0.76 (76%)

0.76 0.0503.75

0.2*50000C F

,min2

e aus

a

LpU t

I

a

a

TI pC

U

L wird oft über diesen Wert hinaus, grosszügig überdimensioniert, um nicht lückenden Betrieb zu garantieren, auch wenn Ia,min unterschritten wird.

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Boost Converter: Applikation

Batteriespeisung Solarzellen + hoher Wirkungsgrad - Ripple mit Taktfrequenz überlagert

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fs automatic adaptive up to 1 MHz

Boost Converter Chip

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Klasse D Verstärker

Hohe Gleichspannung

Audiosignal

Lautsprecher

Vom Buck Converter zum Audio Verstärker

Unterschiede: Tastverhältnis variabel Strom aus Cf abziehen durch Last und nachladen über Buck Lf, Cf als Filter für 20 kHz auslegen Taktrate so hoch wie möglich

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Klasse D Verstärker

N-CH und P-CH MOSFET

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Klasse D Verstärker

High Power mit Feedback Regelung für Pout

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Zusammenfassung

FET sind auch als Schalter vielseitig: Digital Logik (CMOS) und Schalter für Analogsignale |VDS| muss dafür viel kleiner VGS-Vt sein. Dimensionierung: VDS vorgeben, ID bestimmen, VGS berechnen. Lineare Spannungsregel zeigen ein sauberes Ausgangssignal, weisen aber meist einen schlechten Wirkungsgrad auf. Durch geschalteten MOSFET und Induktivität kann Energie von Eingangsquelle in Ausgangsquelle gewandelt werden. Tastverhältnis bestimmt Ausgangsspannung. typ. Wirkungsgrad > 90% Nachteil: Ausgangssignal enthält Ripple und spektrale Störungen Es gibt Abwärtswandler (Buck) und Aufwärtswandler (Boost) IC‘s bei denen nur L und C extern zugeschaltet werden müssen Ein Regelkreis sorgt für die korrekte Ausgangspannung bei variabler Quelle und Last

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Buck & Boost Lab

Berechnen und bauen sie nacheinander die folgenden getakteten Regler und messen die interessanten Grössen heraus: Variables D*, Vout, variable Last, Wirkungsgrad.

Buck: 8 VDC auf 4 VDC, Laststrom 200 mA (4 R‘s parallel), fs = 5 kHz, Ripple 100 mV

Boost: 1.5 V AAA Batterie auf 3 V, Last 1..2 LED parallel à 20 mA, fs = 5 kHz, Ripple 200 mV

P.S. Steckbrett schlecht geeignet, erlaubt nur fs = 5...20 kHz und qualitative Resultate. RF = 4 L- Wert: nur 10 mH und 20 mH vorhanden

P-Enh MOSFET: IRF9540 (Vt -2...-4 V), N-Enh MOSFET: IRF 540 (Vt 2…4 V), Diode: Schottky Power:1N5818

http://www.daycounter.com/Calculators/Switching-Converter-Calculator.phtml

Takt: 0V/8V Rechteck 50 Generator *Einige Lab Geni erlauben nur fixes D= 0.5

P

N N