Dieser Artikel untersucht die grundlegenden Konzepte der Leistungswandlung und stellt die gebräuchlichsten Topologien für diskrete und modulare Schaltungen vor. Darüber hinaus werden grundlegende Aspekte der Isolation und Spannungsregelung behandelt.

Energiewandlung ist allgegenwärtig.
Sie finden Anwendungen der Energiewandlung in nahezu allen von Ihnen genutzten Technologien. Nehmen wir beispielsweise Ihr Mobiltelefon. Es verfügt höchstwahrscheinlich über einen Lithium-Akku mit einer Nennausgangsspannung von 3,7 V. Die zahlreichen integrierten Schaltkreise (ICs) und zugehörigen Anwendungen des Telefons arbeiten mit unterschiedlichen Spannungen, am häufigsten mit 1,8 V, 3,3 V oder 5,0 V. Anwendungen zur Energiewandlung nehmen die 3,7 V und wandeln sie in die entsprechende Spannung um, die entweder über oder unter der Nennausgangsspannung des Akkus liegt.
Ein ähnliches Beispiel ist das einfache, aber beliebte tragbare USB-Ladegerät, mit dem wir unsere technischen Geräte überall aufladen können. Auch dieses verwendet eine einzelne Lithium-Pouch-Akkuzelle, die 3,7 V liefert, und einen DC/DC-Wandler, der die Ausgangsspannung auf die standardmäßigen 5 V des USB-Anschlusses erhöht.
Ihre Lautsprecher, Fernseher, Laptops und Smart-Geräte wandeln die Versorgungsspannung ebenfalls in die für ihre interne Schaltung benötigte Spannung um.
Es gibt zwei verschiedene AC/DC- und DC/DC-Wandlungsverfahren: lineare und Schaltwandler. Die lineare Methode wurde häufig bei netzgekoppelten Geräten eingesetzt, erforderte jedoch sperrige Bauteile wie Transformatoren und große Glättungskondensatoren. Lineare Regler werden zwar noch immer für spezielle DC/DC-Wandlungsaufgaben verwendet, heutzutage kommen jedoch in den meisten Anwendungen Schaltregler zum Einsatz.

Die Schaltregler-DC/DC-Wandlung basiert auf der Speicherung von Energie in einer Induktivität oder Kapazität. Im Gegensatz zur linearen Methode kann die Ausgangsspannung eines Schaltreglers höher oder niedriger als die Eingangsspannung sein. Abbildung 1 veranschaulicht das Grundprinzip eines Schaltreglers.
Abbildung 1: Funktionsblockdiagramm eines DC/DC-Wandlers (Quelle: Murata)

Ein PWM-Signal dient als Schaltansteuerung für ein Halbleiterbauelement. Tastverhältnis (das Verhältnis von Impuls zu Pause) und Frequenz des PWM-Eingangssignals beeinflussen direkt den Wirkungsgrad, die Lastregelung und die Ausgangsspannung. Im Wesentlichen bilden das PWM-Signal und das Schaltbauelement eine Ladungspumpe, die während des Einschaltzyklus Energie in einer Induktivität oder einem Kondensator speichert. Diese Energie wird während der Ausschaltphase des PWM-Signals freigesetzt und gleichgerichtet. Die Ausgangsspannung wird durch das PWM-Signal geregelt. Die Trennung zwischen Ein- und Ausgang wird durch einen Transformator – als induktives Element – ​​und einen Kondensator erreicht.
Im Laufe der Jahre haben sich verschiedene DC/DC-Wandlerarchitekturen bzw. -topologien etabliert, die wir im Folgenden kurz erläutern werden.

Die gebräuchlichsten DC/DC-Wandlertopologien

Der Abwärtswandler (auch Buck-Konverter genannt)
wandelt eine Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung um (z. B. 5 V DC in 3,3 V DC). Abbildung 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Schaltkreises.

Abbildung 2: Die Hauptfunktion eines Abwärtswandlers (Quelle: Murata)

In Abbildung 2 ist SW1 typischerweise ein Transistor, der von einem PWM-Signal angesteuert wird, und SW2 ist eine Diode. Wenn SW1 geschlossen (EIN) ist, fließt Strom durch die Induktivität und Energie wird gespeichert. Wenn SW1 AUS ist, wird Energie freigesetzt, da Strom durch die Diode (SW2) fließt und eine Ausgangsspannung erzeugt.
Die Ausgangsspannung des Abwärtswandlers hängt vom Tastverhältnis des PWM-Signals ab, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Der Einfluss des Tastverhältnisses auf die Ausgangsspannung (Quelle: Murata)

In einer synchronen Abwärtswandler-Topologie wird die Diode durch ein anderes Schaltelement, typischerweise einen Feldeffekttransistor (FET), ersetzt. Dieser wird durch ein phasenverschobenes Schaltsignal angesteuert. FETs bieten im Allgemeinen einen geringeren Vorwärtswiderstand, wodurch die Verluste reduziert werden.
Der Aufwärtswandler (Boost-Wandler):
Wie der Name schon sagt, ist die Ausgangsspannung eines Aufwärtswandlers höher als die Eingangsspannung. Der Grad der Erhöhung hängt von verschiedenen Faktoren ab, beträgt aber für die meisten praktischen Anwendungen maximal das Fünffache der Eingangsspannung. Ein Wert von bis zu drei ist für eine korrekte Ausgangsspannungsregelung praktikabler. Siehe Abbildung 4. 

Abbildung 4: Das Grundprinzip eines Aufwärtswandlers (Quelle: Murata).
Im Vergleich zur Anordnung des Abwärtswandlers in Abbildung 2 sind der Schalttransistor S1, die Induktivität L1 und die Diode D1 (die in Abbildung 1 als Schalter fungierte) leicht anders positioniert. Wenn S1 eingeschaltet ist, wird Energie in L1 gespeichert; wenn S1 ausgeschaltet ist, wird Energie der Eingangsspannung hinzugefügt, die über den Eingangskondensator zum Ausgangskondensator fließt.
Aufwärts- und Abwärtswandler benötigen nur wenige Bauteile, wodurch sie einen hohen Wirkungsgrad von typischerweise bis zu 97 % erreichen.

Weder Abwärts- noch Aufwärtswandler sind galvanisch getrennt. Das bedeutet, dass jede Eingangsspannung am Ausgang anliegen kann. Wird der DC/DC-Wandler mit Wechselstrom versorgt, kann ein Fehler dazu führen, dass die Netzspannung am Ausgang anliegt, was potenziell fatale Folgen haben kann. Viele Anwendungen, beispielsweise im medizinischen Bereich, erfordern eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang. Eine Möglichkeit, in einem Schaltregler eine galvanische Trennung zu erreichen, wenn die Masse nicht gemeinsam ist, besteht beispielsweise darin, einen Transformator zu verwenden. Ein Beispiel hierfür ist der isolierte Rückwärtswandler (siehe Abbildung 5).

Abbildung 5: Vereinfachtes Schaltbild eines isolierten Rückwärtswandlers (Quelle: Wikipedia)

Der isolierte Rückwärtswandler.
Bei einem isolierten Rückwärtswandler dient der Transformator als Energiespeicherinduktivität und gewährleistet gleichzeitig die galvanische Trennung. Diese Topologie ist die wohl einfachste aller DC/DC-Wandler, da sie nur wenige Bauteile benötigt. Anwendungen beschränken sich typischerweise auf Anwendungen mit geringer Leistung (

Gegentakt-, Halbbrücken- und Vollbrückenwandler
sind Beispiele für weitere isolierte Schaltnetzteile, die derzeit verwendet werden. Die Gegentaktschaltung nutzt zwei Schaltelemente, die sich den Strom teilen, und eignet sich für Hochleistungsanwendungen. Diese Schaltung verwendet Mittelanzapfungen in den Primär- und Sekundärwicklungen, was einen teureren Transformator erfordert. Halbbrücken- und Vollbrückenschaltungen ähneln der Gegentaktschaltung, benötigen jedoch nur eine Primärwicklung. Die Halbbrücke verwendet zwei Schaltelemente, die Vollbrücke vier. (Siehe Abbildung 6.)

Abbildung 6: Vereinfachtes Schaltbild eines isolierten Vollbrücken-DC/DC-Wandlers

Ausgangsspannungsregelung:
Neben der Wahl einer geeigneten Topologie für den DC/DC-Wandler ist die Regelung der Ausgangsspannung ein wichtiger Aspekt. Die präzise Regelung der Ausgangsspannung unter allen Lastbedingungen ist besonders für Prozessoren mit schnell wechselnden, dynamischen Arbeitslasten entscheidend. Die Ausgangsspannung muss schnell und präzise an die PWM-Schaltfunktion zurückgeführt werden, um Änderungen des Tastverhältnisses zu ermöglichen. Heutzutage verfügen die meisten DC/DC-Wandler-Steuer-ICs über diese Funktion, die in einer nicht-isolierten Topologie problemlos realisiert werden kann.
Die Aufrechterhaltung der Isolation zwischen Eingang und Ausgang erfordert jedoch zusätzliche Bauteile und erhöht somit die Materialkosten. Gängige Methoden zur Isolationsrückkopplung sind der Einsatz eines zusätzlichen Transformators oder eines Optokopplers. Der Bedarf an zusätzlichen Bauteilen erhöht nicht nur die Materialkosten, sondern auch den Platzbedarf auf der Leiterplatte. In modernen, platzsparenden Designs muss der Platzbedarf auf der Leiterplatte minimiert werden. Neben den Materialkosten ist zu beachten, dass mit zunehmender Anzahl der verwendeten Bauteile auch die Logistik und die Bauteilversorgung komplexer werden. Eine größere Anzahl von Bauteilen kann zudem die Zuverlässigkeit des Endprodukts beeinträchtigen.

DC/DC-Wandler-ICs und -Module:
Eine innovative Lösung nutzt die primärseitige Messung für eine deutlich einfachere Regelung. Während der Sperrphase des Sperrwandlers erfasst der Treiber-IC das vom Transformator reflektierte Sekundärsignal. Ein Beispiel für einen optotransistorfreien Sperrwandler-Treiber-IC ist der Maxim MAX17687 (siehe Abbildung 7).
Abbildung 7: Beispiel eines optotransistorfreien Sperrwandler-ICs mit minimalem Bauteilaufwand zur Erzeugung einer Ausgangsspannung von 12 V/750 mA aus einer 16-A-60-V-Quelle. (Quelle: Maxim)

Der Treiber MAX17687 verfügt über zwei integrierte MOSFETs, die einen maximalen Primärstrom von 3,2 A liefern können. Die Ausgangsspannung wird mittels primärseitiger Messung auf ±1,2 % geregelt. Die PWM-Frequenz des ICs ist zwischen 100 und 500 kHz programmierbar, und der Wirkungsgrad liegt typischerweise über 90 %.
Ein Beispiel für ein komplettes DC/DC-Rückwärtswandlermodul ist die Murata UWS-Q12-Serie, ein offenes, isoliertes Modul in Durchsteckmontage.
Diese Module bieten eine attraktive Alternative zu diskreten DC/DC-Wandlern. Sie vereinfachen den Entwicklungsprozess erheblich und können so die Entwicklungszeit deutlich reduzieren. Auch hinsichtlich der Stückliste sind sie vorteilhaft, da die Anzahl der Bauteile verringert und die Logistik vereinfacht wird. Zudem sind die Module in der Regel bereits nach EMV/EMI-Vorschriften und Arbeitsschutzstandards zertifiziert, was die Produktzulassung weiter vereinfacht.
Die kompakte UWS-Q12-Serie mit 91 % Wirkungsgrad bietet die üblichen Nennspannungen von 3,3, 5, 12, 15 oder 24 V und liefert bis zu 54 Watt bei einer Eingangsspannung von 9 bis 36 V. Sie verfügt über umfassende Schutzfunktionen, darunter Schutz vor Unterspannung und Überhitzung. Abbildung 8: Die Murata UWS-Q12 (Quelle: Murata)

Die Traco TSR 1.5E-Serie ist ein praktischer Ersatz für ineffiziente, ältere Linearregler. Dieses 1,5-A-Plug-and-Play-Gerät nutzt eine nicht-isolierte Abwärtswandler-Topologie (Buck-Wandler) und erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 97 %. Es ist für einen breiten Eingangsspannungsbereich geeignet. Die Geräte dieser Serie liefern 3,3 V DC (ersetzt Teilenummer 7803), 5 V DC (ersetzt Teilenummer 7805) und 12 V DC (ersetzt Teilenummer 7812).
TI hat die Buck-Wandler-Topologie mit seiner DCS-Regelungstechnologie (Direct Control Smooth Transition) angepasst. Die modifizierte DCS-Topologie erzielt deutlich bessere Einschwing-, Regelungs- und Restwelligkeitseigenschaften als ein synchroner Abwärtswandler. TI bietet den Wandler als Treiber-IC (TPS6282x) und als Wandlermodul mit integrierter Induktivität an. Abbildung 9 zeigt das Funktionsblockdiagramm des nicht-isolierten Abwärtswandlermoduls mit den integrierten FETs und der Induktivität.

Abbildung 9: Funktionsblockdiagramm des TI TPSM82821 Abwärtswandlermoduls mit dem Controller-IC TPS6282x (Quelle: TI)

Vereinfachte Energieumwandlung:
In diesem Artikel untersuchen wir einige der gängigsten DC/DC-Energiewandlungstopologien und stellen einige Beispielprodukte vor. Wandler-ICs sind eine weit verbreitete Methode zur DC/DC-Wandlung und zeichnen sich durch geringen Platzbedarf und niedrige Materialkosten aus. Leistungsarme Wandler-ICs mit integrierten Schalttransistoren oder FETs sind in vielen Industrie-, Handels- und Konsumprodukten sehr beliebt. DC/DC-Wandlermodule, die den Treiber-IC, die Induktivität und alle weiteren Komponenten enthalten, lassen sich am einfachsten in ein Endprodukt integrieren und sind leicht erhältlich.

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics
www.mouser.com