Mit einem einzigen synchronen Buck-Regler einen zweistufigen Boost-Buck-Wandler regeln? Kein Problem: Mit dem ISL85403 von Renesas Electronics ist das möglich.
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 unterstützt einen zweistufigen Boost-Buck-Wandler mit einer Eingangsspannung von nur 3 V. In diesem Fall (3 V) sind jedoch einige Punkte zu beachten.
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.