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Renesas Electronics: Spannungen über einen weiten Bereich regeln

Mit einem einzigen synchronen Buck-Regler einen zweistufigen Boost-Buck-Wandler regeln? Kein Problem: Mit dem ISL85403 von Renesas Electronics ist das möglich.

Renesas Electronics Bildquelle: © Renesas Electronics

Bild 1: Schaltung eines Boost-Buck-Wandlers

Wenn in Spannungsregelungsanwendungen die Eingangsspannung schwankt oder unter die erforderliche Ausgangsspannung fällt, kann ein Boost-Buck-Wandler eine gut geregelte Ausgangsspannung liefern. Dafür ist es wichtig, dass Veränderungen der Eingangsspannung erkannt werden und die Schaltung schnell darauf reagiert, indem sie entweder die niedrige Eingangsspannung erhöht oder, vorausgesetzt die Eingangsspannung ist hoch genug für eine normale Abwärtswandlung, der Regler im Buck-Only-Modus läuft. Mit einem herkömmlichen zweistufigen Boost-Buck-Wandler kann diese Funktion realisiert werden, man benötigt aber typischerweise zwei Regler.

Dieser Artikel beschreibt, wie ein einziger Synchron-Buck-Regler die gängigsten Versorgungsspannungen bedienen und über einem großen Bereich von Eingangsspannungen von 3 bis 40 V arbeiten kann, und das zu einem vernünftigen Preis. Es kommen zwei 12-W-Evaluation-Boards zum Einsatz, um einen 5-V- und einen 12-V-Ausgang zu demonstrieren.

Regelung über einen großen Eingangsspannungsbereich

In Systemen, in denen die Eingangsspannung stark variiert oder deutlich abfällt, ist es notwendig, die Spannung durch Einschalten eines Boost-Wandlers zu erhöhen, um die gewünschte Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Der Boost-Betrieb muss jedoch deaktiviert werden, wenn die Eingangsspannung ausreichend oder wieder normal ist. Dies ist mit einem einzigen Controller-IC wie dem ISL85403 möglich.

Der ISL85403 ist ein konfigurierbarer Synchron-Buck-Regler, der einen High-Side-MOSFET und High-Side- und Low-Side-Treiber integriert hat. Der Low-Side-Treiber kann eine Verstärkungsstufe (Boost-Stufe) treiben, die hinter einer asynchronen Abwärtsstufe (Buck-Stufe) sitzt, die vom selben Controller-IC gesteuert wird. Wenn die Systemeingangsspannung auf einen zu niedrigen Wert fällt, um die Regelung mit dem Abwärtswandler der zweiten Stufe aufrechtzuerhalten, erhöht der Verstärkungswandler der ersten Stufe die Eingangsspannung, um die Ausgangsspannung zu regeln. Damit lässt sich ein zuverlässiger Betrieb eines Wandlers in Anwendungen mit einem großen Eingangsspannungsbereich realisieren.

Bild 1 zeigt die Schaltung eines typischen Boost-Buck-Wandlers. Der EXT_BOOST-Pin wird über einen Widerstandsteiler mit dem Systemeingang (oft eine Batterie) verbunden. Er überwacht die Boost-Eingangsspannung, um die Boost-Stufe ein- bzw. auszuschalten. Wenn die Eingangsspannung hoch genug ist, damit die Buck-Stufe die Ausgangsspannung regeln kann, wird die Boost-Stufe deaktiviert – entweder beim Start oder wenn nach einem Einbruch der Eingangsspannung diese wieder zum Normalwert zurückgekehrt ist.

Die Schwellenspannung, die zum Einschalten der Boost-PWM (vom Low-Side-Gate-Treiber LGATE) verwendet wird, muss genügend Spielraum aufweisen, um den Spannungsabfall über der Boost-Spule und der Diode sowie die maximale Einschaltdauer und den Leitungsabfall abdecken zu können. Dadurch bleibt der Buck-Wandler geregelt, bevor die Boost-Schaltung zum Einsatz kommt, um die Eingangsspannung zu erhöhen. Die Werte R1 und R2 legen den Einschaltschwellwert und die Hysterese fest. Der AUXVCC-Pin überwacht in gleicher Weise die Boost-Ausgangsspannung.

Mit den nachfolgenden Gleichungen lässt sich die DC-Übertragungsfunktion für VBOOST und VOUT beschreiben. Die Eingangsspannung VINPUT beschreibt dabei den gesamten und/oder die Boost-Eingangsspannung.

VBOOST = 1/(1–D) VINPUT
VOUT = D ∙ VBOOST = D/(1–D) VINPUT

Daraus ergibt sich für VBOOST folgende Gleichung:
VBOOST = (1–D)∙VBOOST+D∙VBOOST = VINPUT+VOUT

VBOOST ist mit dem VIN-Pin des IC verbunden, der wiederum intern mit einem Bias-LDO verbunden ist, um die VCC-Spannung zu generieren. So kann der IC auch dann weiterarbeiten, wenn VINPUT auf einen sehr niedrigen Pegel fällt.Diese Boost-Buck-Konfiguration erfordert nur einen Controller-IC und einen externen MOSFET. Im Vergleich zu herkömmlichen zweistufigen Boost-Buck-Wandlern zeichnet sich diese Konfiguration durch niedrigere Materialkosten aus und sie unterstützt einen weiten Eingangsspannungsbereich.

Design-Betrachtungen für einen Betrieb mit geringer Eingangsspannung

Der ISL85403 von Renesas unterstützt einen zweistufigen Boost-Buck-Wandler mit einer Eingangsspannung von nur 3 V. In diesem Fall (3 V) sind jedoch einige Punkte zu beachten.

- Den Boost-MOSFET auswählen – beim Start mit 3 V ist es wichtig, dass der MOSFET der Boost-Stufe vollständig eingeschaltet werden kann. Daher sollten Entwickler vor der Auswahl des MOSFET im Datenblatt die Diagramme für den Gate-Ladungsverlauf und die Diagramme, die die Ausgangscharakteristik beschreiben, sorgfältig prüfen. Es ist am besten, einen MOSFET zu wählen, bei dem die Gate-Ladung ein Plateau besitzt, das unter einer Gate-Source-Spannung von 3 V liegt. Allerdings sind MOSFETs, die dieser Spezifikation entsprechen, begrenzt. Hier ist z.B. der MOSFET BSZ025N04LS von Infineon eine gute Wahl. Der MOSFET kann nicht nur bei 3 V eingeschaltet werden, sondern er zeichnet sich auch durch einen niedrigen Drain-Source-Widerstand im vollkommen eingeschalteten Zustand (RDSon) aus, was den Wirkungsgrad des Systems verbessert.

- Einstellen des Ein/Aus-Schwellenwerts für die Boost-Stufe – ein weiteres Problem, das zu berücksichtigen ist, ist die Abhängigkeit von der Ausgangsspannung. Der einfache Widerstandsteiler am EXT_BOOST-Pin ist möglicherweise nicht ausreichend, um das korrekte Ein- und Ausschalten des Boost-Wandlers zu gewährleisten. Beim Einschalten mit einer niedrigen Eingangsspannung muss die Spannung am EXT_BOOST-Pin größer als 200 mV sein, damit der Boost-Wandler starten kann. Wenn die Eingangsspannung hoch genug ist und die Spannung am EXT_BOOST größer als 800 mV ist, wird der Boost-Wandler deaktiviert und nur die Buck-Stufe betrieben. Wenn der Boost-Wandler bei einer Eingangsspannung von 3 V starten muss, ist die niedrigste Spannung, die am EXT_BOOST-Pin anliegen muss, 200 mV. Dann würde eine 800-mV-Spannung (4 × 200 mV) an diesem Pin einer 12-V-Eingangsspannung (4 × 3 V) entsprechen, was bedeutet, dass nur die Buck-Stufe bei 12 V schalten kann. Wird der gesamte Overhead berücksichtigt, kann die Regelung jedoch nicht aufrechterhalten werden, wenn die angestrebte Ausgangsspannung 12 V oder 9 V bis 10 V beträgt. Daher reicht ein Widerstandsteiler für diese Spezifikationen nicht aus.

Bild 2 zeigt eine Schaltung, die so angepasst werden kann, dass die richtigen Schwellenwerte für das Ein- und Ausschalten des Boost-Wandlers erzeugt werden können. Diese Schaltung ersetzt den Widerstandsteiler R1 und R2 in Bild 1.

Beim Einschalten aus der Batterie oder dem Systemeingang fließt Strom durch den Widerstandsteiler und die Diode wird leitend, wodurch die Spannung am EXT_BOOST-Pin einstellt wird. Die Werte für R1, R2 und R3 müssen so gewählt werden, dass für das untere Ende des Eingangsspannungsbereichs eine Spannung von mehr als 200 mV an EXT_BOOST gewährleistet ist. R4 ist ein großer Widerstand, der bei niedriger Eingangsspannung die Quelle nur mit einem minimalen Strom belastet. Wenn die Eingangsspannung steigt, fließt durch R4 ein höherer Strom und die Spannung an EXT_BOOST steigt. Daher kann R4 so eingestellt werden, dass damit die Eingangsspannung festgelegt werden kann, bei der an EXT_BOOST 800 mV anliegen und der Boost-Wandler deaktiviert ist.

Der Entwickler muss aber beachten, dass die Durchlassspannung der Diode sich über die Temperatur ändert. Daher müssen die Widerstandswerte basierend auf den Eigenschaften der Diode über den gesamten spezifizierten Betriebstemperaturbereich der Anwendung hinweg geeignete Schwellenspannungen liefern.